Microestrutura: É a organização dos grãos (contorno, forma, tamanho, orientação) e fases sujeitas à observação microscópica.

Transcrição

1 Resumo CMAT P2: 1) Microestrutura e Fase: Microestrutura: É a organização dos grãos (contorno, forma, tamanho, orientação) e fases sujeitas à observação microscópica. A microestrutura compreende as diferentes fases e o modo como estão arranjadas/ organizadas. A microestrutura dos materiais depende da composição química e dos processamentos (tratamentos térmicos e mecânicos) aos quais o material foi submetido. A microestrutura afeta profundamente as propriedades de um material e assim, sua aplicabilidade, por isso, é importante conhecê-la e controlá-la. Fase: porção homogênea de um material que tem características físicas e químicas homogêneas bem definidas. Identificamos uma fase pela sua composição química e microestrutura. cada fase tem suas próprias características físico-quimícas, logo... A interação de duas ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes. É possível alterar as propriedades de um material alterando a forma e distribuição das fases. 2) Diagrama de Fases: São mapas que representam a relação entre as fases de acordo com a temperatura, pressão e composição química. Permitem prever a microestrutura de um material Os diagramas de fase podem representar estruturas de: SOLUBILIDADE TOTAL, SOLUBILIDADE PARCIAL E IMPARCIAL. Solubilidade: aponta o quanto dois elementos tem propriedades compatíveis e podem estar juntos em uma só fase no estado sólido.

2 Solubilidade Total: os dois elementos são plenamente compatíveis para a formação de uma fase homogênea no estado sólido. (diagrama isomorfo) Solubilidade Parcial: apenas parte do material se solubiliza na fase sólida. Solubilidade Imparcial ou NULA: há clara e total separação de fases (diagrama eutético) Limite de Solubilidade: é a concentração máxima que se pode atingir de um soluto dentro de um solvente. Ao ultrapassá-lo forma-se uma segunda fase. Quanto maior a temperatura, maior o limite de solubilidade. 3) Diagramas Isomorfos: Solubilidade total. SIMILARIDADE físico química. (ex. Cu-Ni) Ponto A apenas fase alfa composição lida direto do gráfico (60%Ni) Ponto B fase alfa + liquida linha de amarração se estende de uma fronteira a outra Regra da Alavanca: Para saber a composição/proporção de cada fase. Soluções Sólidas Substitucionais: A soma das suas frações tem que ser 1 Wa + WL = 1

3 A massa de um dos componentes (ex. Ni) que está presente em ambas as fases deve ser igual a massa deste componente na liga como um todo (composição global) Wa Ca + WLCL = Co Wa = (Co CL)/(Ca- CL) 4) Diagramas Eutéticos: Solubilidade parcial. (ex Pb-Sn) Reação Eutética: Primeiro beta se forma a partir de um processo de nucleação e crescimento na fase líquida (L beta). Quando cruzamos a isotérma eutética, o líquido presente se transforma de uma só vez em alfa e beta reação eutética (L alfa + beta) Microestrutura composta por grãos de beta (claros) e grãos formados pela superposição de alfa e beta (lamelas microestrutura eutética). A transição eutética é rápida. Assim, não há tempo para ocorrer difusão substancial. A segregação de átomos de tipo A e B tem que se dar em pequena escala de distâncias.

4 Resfriamento lento grãos se formam no espaço intergranular. Resfriamento rápido Grãos se formam nos contornos de grão (intragranular). Pode-se limitar a transformação (% de alfa inferior ao previsto pelo diagrama de fases). (em alfa beta) Fora da linha eutética: Primeiro beta se forma a partir de um processo de nucleação e crescimento na fase líquida (L beta). Todo o líquido é convertido em beta. Continuando-se o resfriamento, ao adentrarmos o campo alfa + beta, cristais de alfa de formam transformação no estado sólido (beta alfa) Microestrutura composta por grãos de beta (claros) e precipitados de alfa em cima (escuros). 5) Estruturas Cristalinas do Ferro: O Ferro apresenta diferentes estruturas cristalinas, dependendo da temperatura alotropia De Tamb até 912 C: -Cúbica de corpo centrado -Ferrita ou α -Ferro De 912 C até 1394 C: - Cúbica de face centrada - Austenita ou ɣ -Ferro Tfusão: 1538 C!

5 Conceito de Ligas Metálicas: Interstícios e Carbono nas redes do Ferro: Assim, o átomo de carbono é maior do que o interstício e fica sob compressão. - A presença de carbono distorce a rede, contribuindo para endurecer o material. - A concentração máxima de carbono na ferrita é muito baixa (0,022 wt%) - Como o interstício central da cfc é cerca de 2,7X maior, a concentração máxima de carbono na austenita é muito maior (2,11 wt%) O carbono gera soluções sólidas intersticiais (átomo muito pequeno é inserido na estrutura cristalina), endurecendo o material OU SEJA: concentração de carbono: Ferrita rede ccc C baixa Austenita rede CFC C alta

6 5)Diagrama Ferro-Carbono: Fases do Ferro puro: - Tamb C => Fe na forma de Ferrita (α -Fe, CCC) C-1394 C => Fe na forma de Austenita (ɣ -Fe, CFC) C-1538 C => Fe na forma de Delta Ferrita (δ-fe, CCC) Solubilidade do C em Fe: - Na fase α - máximo de 0.022% - Na fase ɣ - máximo de 2.11% Cementita - Fe3C : - Composto estável que se forma quando a solubilidade máxima de carbono é excedida nas fases α e ɣ. - Contém 6.7 wt% C {massa(1c)/massa (3Fe + 1C)} - É dura e quebradiça. A resistência de aços é aumentada pela sua presença. Reação Eutetóide: 1 sólido 2 sólidos 727 C Austenita Ferrita + Cementita = Perlita ɣ (gama) α (alfa) + Fe3C Reação Eutética: 1 líquido 2 sólidos 1148 C L austenita(ɣ) + cementita (Fe3C)

7 Reação Hipo-Eutetóide: ɣ ɣ+ α (α surge nas fronteiras de grão da fase ɣ) ɣ+ α α + Fe3C (perlita) Obs: A fase α, que não muda, é denominada ferrita pro-eutetóide. Reação Hiper-Eutetóide: ɣ ɣ + Fe3C (nas fronteiras de grão da fase ɣ) ɣ + Fe3C α + Fe3C (perlita) Obs: A fase Fe3C, que não muda, é denominada cementita pro-eutetóide.

8 6)Aços Carbono: resistência ductilidade - Suas propriedades deterioram-se a baixas e altas temperaturas. Aço Baixo Carbono: (< 0,3 wt%) -Estrutura é usualmente ferrítica e perlítica - Baixa fração de perlita Aço Médio Carbono: (0,3-0,6 wt%) - melhor combinação de tenacidade e ductilidade e resistência mecânica. - Fração intermediária de perlita Aço Alto Carbono: (0,6-1,2 wt%) - Alta fração de perlita Aços para Automóveis: aços de alta resistência Objetivos: -redução de peso -Economia de combustível -Aumento da segurança do usuário aços com outros elementos de liga e que sofrem tratamentos térmicos diferentes do resfriamento lento associado aos diagramas de equilíbrio apresentados até agora. 7)Tratamentos Térmicos As fases mostradas nos diagramas só são formadas pelo resfriamento lento. É necessário dispor de tempo para que os átomos de carbono se movam através da rede do ferro (Difusão). Caso o resfriamento seja rápido, fases de não equilíbrio, metaestáveis, se formam. Ex: Martensita fase formada a partir do resfriamento abrupto (têmpera) da austenita. Fase extremamente dura. 8)Compósitos: -materiais que buscam conjugar as propriedades de dois tipos de materiais distintos, para obter um material superior - Microestrutura de um compósito tem pelo menos duas fases: a matriz contínua e o reforço.

9 Comportamento Mecânico: - é, no geral, an-isotrópico (Direções diferentes possuem propriedades mecânicas diferentes) Cálculo na direção LONGITUDINAL: a deformação é idêntica para fibras e matriz. (iso-deformação) - Soma das Forças: (f. compósito=força da matriz+ força da fibra) Se os comprimentos são todos idênticos, as frações de área são iguais às frações de volume da matriz (Vm) e das fibras (Vf): Lembrando que: Cálculo na direção TRANSVERSAL: tensão é igual para o compósito e as duas fases. (iso-tensão) Soma dos alongamentos:

10 A deformação total do compósito será: Lembrando que: dividindo por σ: Transferência de Carga: No caso de carregamento longitudinal, de um compósito reforçado por fibras alinhadas, a carga se distribui entre a matriz e o reforço. Assim, é possível cálcular a partição de cargas na forma a seguir. Razão das Cargas: Mas como: Então: e Regra das Misturas: Para compósitos reforçados com fibras (se elas são contínuas e unidirecionais), a regra da mistura permite aos engenheiros prever a densidade do compósito, as condutividades elétrica e térmica ao longo da direção das fibras. (Na verdade, para a densidade, a regra vale para compósitos com qualquer tipo de reforço) Densidade: Note que: Condutividade Térmica: Condutividade Elétrica:

11 Módulo de Young x Fração de Carga: As condições iso-deformação e iso-tensão são os limites superior e inferior dos valores das propriedades mecânicas dos compósitos. Ex: fibra de vidro: 9)Semi-Condutores: -Grupo de materiais com condutividade elétrica intermediária entre os metais e os isolantes -Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas - dopantes. Estrutura de Bandas: A separação (gap) entre a BANDA DE VALÊNCIA (BV) e a BANDA DE CONDUÇÃO (BC) determina a propriedade elétrica do material Nos condutores: elétrons passam facilmente para BC e portanto estão essencialmente livres (a corrente flui facilmente) Isolantes: grande gap de energia entre estas bandas (elétrons não conseguem saltar da banda de valência para a de condução a corrente não flui) Semicondutores : gap de energia moderado (somente poucos elétrons conseguem ser excitados para a banda de condução apenas uma pequena corrente flui

12 Elétrons Livres: -Condutores: Metais (1 e/átomo, livre para se mover, ou e/cm³) -Isolantes: Cerâmicos (óxidos, de 0 a e/átomo, ou até 10 2 e/cm³) -Semicondutores: Germânio (10 8 e/átomo ou e/cm³) Silício puro (10 12 e/átomo ou e/cm³) Silício dopado (10 9 a 10 7 e/átomo ou a e/cm³) Arseneto de Gálio (10 16 e/átomo ou 10 6 e/cm³) Silício Puro: -O silício tem 4 elétrons de valência Quando sólido: os átomos se ligam, produzindo uma rede cristalina. -Denominamos este sólido como silício intrínseco (Si-i). -Os elétrons de valência são compartilhados com os átomos vizinhos resultando numa estrutura bem estável estes elétrons são fortemente ligados (poucos elétrons livres) Estrutura & Portadores de Carga: -Nos semicondutores, a energia térmica na temperatura ambiente pode ser suficiente para romper a ligação atômica de um elétron, fazendo-o saltar da banda de valência para a banda de condução, e produzindo um par elétron-buraco. Estes elétrons também podem "cair" de volta da banda de condução para a banda de valência, recombinando assim com um buraco Formação de Cargas Livres: - Quando a vibração dos átomos da rede cristalina é capaz de romper uma das ligações Si-Si, temos que o elétron envolvido nesta ligação recebeu uma quantidade de energia suficiente para excitá-lo de um estado no topo da banda de valência para um estado no fundo da banda de condução.

13 -A ligação rompida com esta vibração (ou ligação faltante) corresponde à formação de um buraco na banda de valência. -Esta transição resulta em igual número de elétrons na BC e de buracos na BV. Esta é uma importante propriedade dos semicondutores intrínsecos. Elétrons, Buracos, Condutividade: - Os elétrons excitados para a BC têm à sua disposição inúmeros níveis de energia livres e portanto podem se deslocar, contribuindo para a condutividade do material. Os buracos deixados na BV, por sua vez, correspondem a níveis livres para onde outros elétrons podem se mover, deixando outros buracos, e assim por diante. É mais simples descrever este movimento na BV como o de cargas positivas, buracos, que se deslocam no sentido contrário ao dos elétrons. Assim, os buracos também contribuem para a condutividade de um semicondutor. Condutividade Intrínseca: Condutividade de um semicondutor intrínseco Obs: no geral, as mobilidades de elétrons e buracos não são iguais Obs2: Banda de Valência: última banda completamente preenchida por elétrons, à temperatura do zero absoluto, Banda de Condução: é a próxima banda parcialmente preenchida, ou completamente vazia. Obs3: A concentração de elétrons na banda de condução de um material semicondutor depende da temperatura e da energia do gap do material semicondutor

14 Concentração de Portadores no Si-i: Dopagem do Silício: - A produção de circuitos integrados requer que o substrato (wafer) seja mais condutor do que o Si puro. - Para melhorar a condutividade do semicondutor, adicionam-se impurezas (dopantes) que contribuem com elétrons extras ou buracos extras. - Este processo é conhecido como dopagem. Boro (B), Fósforo (P), e Arsênio (As) são os dopantes mais comumente utilizados pela indústria de microeletrônica para aumentar a condutividade do silício. A Química da Dopagem: Consultando a Tabela Periódica pode-se observar o número de elétrons de valência do Boro, Silício, Fósforo e Arsênio. elementos com 5 elétrons de valência contribuem com um elétron extra para a rede (dopante doador) tipo n (portadores de carga negativos) elementos com 3 elétrons de valência aceitam um elétron da rede do silício (dopante receptor) tipo p (portadores de carga positivos) Concentração de Elétrons e Buracos: -O silício intrínseco possui um numero de buracos igual ao de elétrons livres: e/cm³ na temperatura ambiente.

15 -Para conseguirmos um razoável nível de condutividade não é necessário acrescentar uma grande quantidade de dopante. É suficiente uma adição de uma a cem partes por bilhão ( at/cm³) - Como o Si, cri at/cm³ dopagem de: at/cm³ significa a adição de uma parte por milhão (ppm); at/cm³ significa a adição de uma parte por bilhão (ppb). - Se o dopante é doador teremos um aumento da concentração de elétrons na BC de 1010 para 1015 e/cm3, ou seja, um aumento de 5 ordens de grandeza com forte impacto sobre a condutividade. - Se o dopante é receptor, o mesmo ocorrerá a partir do aumento da concentração de buracos na BV. Concentração de Portadores no Si Dopado: A dopagem do Si aumenta dramaticamente a concentração de portadores de carga: elétrons no Si tipo n e buracos no Si tipo p. Dopagem e Níveis no Gap: Semicondutor tipo-n: Dopante doador Surge um nível de energia permitido para estes elétrons, pouco abaixo da BC. Com pouca energia, estes elétrons podem ser promovidos para a BC. Semicondutor tipo-p: Dopante receptor Surge um nível de energia permitido pouco acima da BV. Com pouca energia, elétrons da BV podem ser promovidos para este nível, deixando buracos na BV.

16 Dispositivos e Junções: -A base da tecnologia de dispositivos semicondutores está na habilidade de se produzir uma junção entre duas partes de materiais com características distintas. -Como os materiais semicondutores possuem pouquíssimos elétrons livres, qualquer imperfeição no material prejudica a sua condutividade. Material deve ser muito puro (99,9999%). Estrutura cristalina deve ser a mais perfeita possível. Assim, a junção tem que procurar casar as posições dos átomos de cada lado da junção. (Requisito crítico de engenharia) A Junção pn: O diodo é a junção entre um semicondutor tipo-n e um semicondutor tipo-p. Na formação da junção pn os elétrons da região n (em alta concentração) migrarão para a região p (de menor concentração de elétrons) e se recombinarão com os buracos da região p (dopantes tipo III) que possui alta concentração de buracos. DIFUSÃO. O processo inverso ocorrerá com os buracos da região p. Este processo bidirecional de migração, de elétrons e buracos, leva à formação de uma região com carga líquida negativa na região p e positiva na região n. Isto dá origem a uma região com um campo elétrico que aponta da região n para a p. OBS: O campo elétrico aponta do lado positivo para o lado negativo Este campo cresce até interromper o processo de difusão de cargas através da junção. A região em torno da fronteira, na qual ocorre a redução de portadores de carga, chamase zona de depleção.

17 A Física da Junção: -O efeito na junção equivale à geração de um potencial elétrico que modifica os níveis relativos das bandas de energia dos materiais p e n, gerando uma barreira de potencial. -Quando esta junção é ligada a uma fonte externa, esta barreira será reduzida ou aumentada. Junção com Polarização Direta: Fonte de tensão ligada com o pólo positivo conectado ao lado tipo-p A barreira de potencial diminui. A quantidade de buracos no lado p e elétrons no lado n com energia suficiente para vencer a barreira de potencial aumenta muito. A junção conduz corrente. Junção com Polarização Reversa: Fonte de tensão ligada com o pólo positivo conectado ao lado tipo-n A barreira de potencial aumenta. Os buracos no lado p e elétrons no lado n não têm energia suficiente para vencer a barreira de potencial. A junção não conduz corrente.

18 Junção pn - Característica V-I: O Diodo como Retificador: A aplicação mais simples do diodo é na retificação de corrente alternada conversão de corrente alternada para corrente continua. -O ciclo positivo corresponde à polarização direta e a corrente pode fluir. -O ciclo negativo corresponde à polarização reversa e a corrente não pode fluir ciclo negativo eliminado. -O uso de um capacitor permite transformar as oscilações do ciclo positivo em uma onda de valor quase constante.

19 Dispositivos Baseados na Junção pn: LED s: Convertem um sinal elétrico de entrada em uma saída de luz: elétron entrando fóton saindo Um LED é constituído por junção PN que, polarizada diretamente, emite luz devido ao fenômeno de recombinação dos pares elétrons-buracos na região da junção Células Solares (Fotovoltaicas): - Convertem um sinal luminoso de entrada em uma saída de elétrons: fóton entrando elétron saindo (os elétrons gerados são impulsionados pelo campo elétrico na junção PN) - Fonte de energia renovável! LED s: têm a capacidade de converter energia elétrica em energia luminosa, sem grande geração de calor Um diodo emissor de luz (LED) é muito semelhante ao diodo comum utilizado em circuitos elétricos: Junção pn polarizada diretamente injeta elétrons na região tipo p, rica em buracos Recombinação deste elétrons com os buracos existentes. De acordo com a característica do material semicondutor utilizado, esta recombinação irá apresentar uma liberação de energia sob a forma de fótons (luz). Pode-se fazer uma engenharia neste material para ajustar a cor da luz emitida. Este ajuste nos permite gerar, hoje em dia, emissões na faixa do infravermelho ao ultravioleta.

20 Os elétrons da região n são injetados na região p, ocasionando a recombinação do par elétron-buraco (e-h) o que gera emissão de energia na forma de radiação (luz). GAP de Energia e Cor da Luz LED: -A cor da luz emitida depende da quantidade de energia devolvida na recombinação dos elétrons com os buracos. -Esta quantidade depende do tamanho do gap que, por sua vez, depende do material, e de sua estrutura cristalina. -Quanto maior o gap, maior a energia da luz gerada, e portanto maior sua frequência e menor seu comprimento de onda. As maiores energias de gap (2,8 ev): região azul menores energias de gap (1,8 ev): região vermelha do espectro visível Pois a energia da luz emitida (que é igual à energia do gap), é diretamente proporcional à frequência da luz e inversamente proporcional a seu comprimento de onda. Assim, gap maior implica em menor compimento de onda, no caso o da luz azul. Eg = hf (onde f é a frequência da luz) O gap pode ser ajustado criando ligas de materiais semicondutores: - Variando os componentes das ligas e suas proporções, altera-se o parâmetro de rede (distância entre átomos na estrutura cristalina). - Esta variação do parâmetro de rede está diretamente relacionada com a energia do gap e com a cor da luz gerada. Si versus Semicondutores III-V: -O silício é o semicondutor mais usado na microeletrônica, mas não é adequado para a geração de luz. A transição entre as bandas implica em perda de energia por aquecimento, e não apenas via geração de luz. Isto está associado a uma característica denominada gap indireto. Diversos compostos de elementos das colunas III e V da tabela periódica são mais adequados. Possuem gap direto. A transição radiativa é eficiente. A combinação entre diversos compostos, com diferentes proporções, oferece uma enorme flexibilidade.