Sólidos Cristalinos. Universidade de São Paulo. Escola de Engenharia de Lorena. Departamento de Engenharia de Materiais

Transcrição

1 Universidde de São Pulo Escol de Engenhri de Loren Deprtmento de Engenhri de Mteriis Sólidos Cristlinos Introdução à Ciênci dos Mteriis Prof. Dr. Cssius O.F.T. Ruchert, Professor Assocido

2 Scopo Estrutur Atômic e Ligção Inter-tômic Estrutur dos Metis Imperfeições nos Sólidos Difusão

3 Estrutur e Deformção nos Mteriis Um grnde vriedde de mteriis podem ser usdos em plicções onde resistênci crregmentos mecânicos são necessários. O sucesso d utilizção dos mteriis exige que eles stisfçm conjunto de proprieddes Térmics, ótics, mecânics, físics, químics e nucler. Ests estão intimmente ligds microestrutur do mteril. A microestrutur é por su vez resultdo d síntese e processmento. Crcterizção: -Ensios Mecânicos -Microscopi Ótic -Difrção de rios - X Teori: -Mecânic do contínuo -Mecânic Computcionl -Termodinânic -Trnsf. de fses Processmento: -Forjmento -Lminção -Extrusão -Fundição Proprieddes Mecânics: -Fdig -Fluênci -Frtur -Resistênci

4 Proprieddes dos Mteriis Microestrutur Composição e Processo de Fbricção E N G E N H A R I A

5 FAMÍLIAS DE MATERIAIS DE ENGENHARIA METAIS POLÍMEROS CERÂMICOS COMPÓSITOS ELASTÔMEROS VIDROS

6 Metis CLASSIFICAÇÃO DOS Cerâmics Polímeros Compósitos MATERIAIS Semicondutores (ex. Circuitos integrdos) Clssificção trdicionl Biomteriis (Mt. Biocomptíveis)

7 REPRESENTAÇÃO DA RESISTÊNCIA DAS VÁRIAS CATEGORIAS DE MATERIAIS PROPRIEDADE METAIS CERÂMICAS POLÍMEROS Densidde (g/cm 3 ) ,5 Condutividde Elétric Alt Low Low Condutividde Térmic Alt Low Low Dutilidde (%) 4-40 < Lim de Resist Trção (MP) Lim de Resist. Compr (MP) Tencidde à Frtur (MNm - 3/2 ) Temp Máxim de Trblho o C Resistênci Corrosão Tipo de Ligção Estrutur B M Metálic CCC, CFC, HC S Iônic ou Cov. Crist. Compl M Covlente Amorf ou Semi

8 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Metis Vntgens: resistênci mecânic, rigidez, tencidde à frtur, tempertur e mbiente de uso, formbilidde/ductilidde, condutividde térmic e elétric, reciclgem; Desvntgens: processmento, corrosão, retividde, densidde (proprieddes específics) Mteriis metálicos são gerlmente um combinção de elementos metálicos. Os elétrons não estão ligdos nenhum átomo em prticulr e por isso são bons condutores de clor e eletricidde Não são trnsprentes à luz visível Têm prênci lustros qundo polidos Gerlmente são resistentes e deformáveis São muito utilizdos pr plicções estruturis

9 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Cerâmics ALUMINA Vntgens: resistênci à compressão, rigidez, tempertur e gressividde do mbiente de serviço, densidde (proprieddes específics), isolntes térmicos e elétricos; Desvntgens: resistênci à trção, tencidde à frtur (frágeis), processmento, custo, reciclgem Mteriis cerâmicos são gerlmente um combinção de elementos metálicos e nãometálicos. Gerlmente são óxidos, nitretos e crbetos São gerlmente isolntes de clor e eletricidde São mis resistêntes à lts temperturs e à mbientes severos que metis e polímeros Com relção às proprieddes mecânics s cerâmics são durs, porém frágeis Em gerl são leves

10 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Polímeros Mteriis poliméricos são gerlmente compostos orgânicos bsedos em crbono, hidrogênio Vntgens: custo, processbilidde/fbricção, resistênci à corrosão, densidde (proprieddes específics), isolntes térmicos e elétricos, ductilidde dos termo-plásticos, reciclgem; Desvntgens: resistênci mecânic, rigidez, tempertur e meio de plicção (UV e solventes), frgilidde dos termo-rígidos e outros elementos não-metálicos. São constituídos de moléculs muito grndes (mcro-moléculs) Tipicmente, esses mteriis presentm bix densidde e podem ser extremmente flexíveis Mteriis poliméricos incluem plásticos e borrchs

11 CLASSIFICAÇÃO DOS Compósitos MATERIAIS Prei qui Mteriis compósitos são constituídos de mis de um tipo de mteril insolúveis entre si. Os compósitos são desenhdos pr presentrem combinção ds melhores crcterístics de cd mteril constituinte Muitos dos recentes desenvolvimento em mteriis envolvem mteriis compósitos Um exemplo clssico é o compósito de mtriz poliméric com fibr de vidro. O mteril compósito present resistênci d fibr de vidro ssocido flexibilidde do polímero

12 Ag-Cu/C Vntgens: dequção o uso (comptibilizçãootimizção de proprieddes individuis); Desvntgens: processmento, custo, reciclgem COMPÓSITOS Al/SiC Co/WC SiN 4 /SiC Epóxi/Vidro

13 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Semicondutores InP Mteriis semicondutores presentm proprieddes elétrics que são intermediáris entre metis e isolntes Além disso, s crcterístics elétrics são extremmente sensíveis à presenç de pequens quntiddes de impurezs, cuj concentrção pode ser controld em pequens regiões do mteril (pr formr s junções p-n) Os semicondutores tornrm possível o dvento do circuito integrdo que revolucionou s indústris de eletrônic e computdores Ex: Si, Ge, GAs, InSb, GN, CdTe..

14 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Biomteriis Biomteriis são empregdos em componentes pr implntes de prtes em seres humnos Esses mteriis não devem produzir substâncis tóxics e devem ser comptíveis com o tecido humno (isto é, não deve cusr rejeição). Metis, cerâmicos, compósitos e polímeros podem ser usdos como biomteriis.

15 Proprieddes Elástic dos Mteriis Forte ligções covlentes As ligções iônics não são tão fortes qunto s covlentes. As ligções metálics são fortes, ms não tnto qunto s covlentes. Os metis refrtários possuem os miores Módulos de Elsticidde. Existe um correlção com o ponto de fusão. Os miores vlores de E pr os polímeros são precidos com os mis bixos dos metis.

16 REPRESENTAÇÃO DA RESISTÊNCIA DAS VÁRIAS CATEGORIAS DE MATERIAIS

17 ESTRUTURA DOS MATERIAIS A cristlinidde de um estrutur não existe em gses ou líquidos. Os metis, cerâmics e os polímeros podem ou não exibi-l. Os metis são normlmente cristlinos, ms se resfridos em um tx muito lt eles podem ter um estrutur morf. Cerâmic pode ser morf SiO 2 (silic fundid) ou como cristl (cristoblit) Polímeros consistem de um cdei moleculr e pode possuir diferentes grus de cristlinidde.

18 ESTRUTURA DOS SÓLIDOS CRISTALINOS (1) (2) (2) (3) ARRANJOS ATÔMICOS (MOLECULARES) ORDENAMENTOS DE CURTO E LONGO ALCANCE 1 - GASES NOBRES (Ar) = NENHUM ARRANJO ESPACIAL DEFINIDO (PREENCHEM TOTALMENTE O ESPAÇO DE CONFINAMENTO) 2 - VAPORES, LÍQUIDOS E SÓLIDOS AMORFOS (VIDRO) = ARRANJO ORDENADO DE CURTO ALCANCE (DA ORDEM DE ÁTOMOS E MOLÉCULAS VIZINHAS) 3 - VIRTUALMENTE TODOS OS METAIS, MUITOS CERÂMICOS E POLÍMEROS = ARRANJO ORDENADO DE LONGO ALCANCE = ESTRUTURA CRISTALINA

19 Um célul unitári é definid como menor porção do cristl que ind conserv s proprieddes originis do mesmo. Existem céluls unitáris de diversos tipos. Em medos do século pssdo, o cientist frncês Brvis descreveu 14 céluls unitáris. s quis englobrim qulquer tipo de estrutur cristlin conhecid. N figur 3.1 são presentdos s céluls unitáris de Brvis. CÚBICO c c c c b b MONOCLÍNICO TETRAGONAL b b b b b c c c c Um vlição mis profundd dos rrnjos cristlinos de Brvis revel que s estruturs cúbic de corpo centrdo (CCC), cúbic de fce centrd (CFC) e hexgonl compct (HC) são quels que permitem mior gru de empcotmento tômico. c ORTORRÔMBICO c b TRICLÍNICO ROMBOÉDRICO HEXAGONAL

20 ) b) c) Representção esquemátic de um célul unitári CFC: () posições tômics; (b) rrnjo tômico; (c) átomos dentro d célul unitári.

21 Estrutur cristlin e proprieddes de lguns elementos. Elemento Símbolo Número Atômico Mss Atômic (g/mol) Densidde à 20 o C (g/m 3 ) Estrutur Cristlin à 20 o C Rio Atômico (nm) Alumínio Al 13 26,98 2,70 CFC 0,143 Ferro Fe 26 55,85 7,87 CCC 0,124 Chumbo Pb ,20 11,36 CFC 0,175 Coblto Co 27 58,93 8,83 CCC 0,125 Cobre Cu 29 63,54 8,93 CFC 0,128 Cromo Cr 24 51,99 7,19 CCC 0,125 Enxofre S 16 32,06 2,07 Ortorrômbic 0,104 Pltin Pt ,09 21,45 CFC 0,139 Mgnésio Mg 12 24,30 1,74 HC 0,160 Mngnês Mn 25 54,94 7,47 Cúbic 0,112 Mercúrio Hg ,59 13,55 Romboédric 0,155 Molibdênio Mo 42 95,94 10,22 CCC 0,136 Nióbio Nb 41 92,90 8,57 CCC 0,143 Níquel Ni 28 58,69 8,90 CFC 0,124 Titânio Ti 22 47,88 4,51 HC 0,148 Tungstênio W ,85 19,25 CCC 0,137 Urânio U ,03 19,05 Ortorrômbic 0,138 Vnádio V 23 50,94 6,10 CCC 0,132 Zinco Zn 30 65,38 7,13 HC 0,133 Zircônio Zr 40 91,22 6,51 HC 0,159

22 CCC Líquido Ferro o C o C Ns mudnçs polimórfics há normlmente um lterção d densidde e de outrs proprieddes físics Tempertur o C CFC Ferro 912 o C CCC Líquido Ferro Ferro 768 o C Tempo ALOTROPIA OU POLIMORFISMO (lguns metis e não metis podem ter mis de um estrutur cristlin) Depende d tempertur e pressão

23 Dimnte X Grfite (CARBONO) () Dimnte (b) Grfite Figur 3.9. Estruturs cristlins do crbono ns vrições lotrópics "dimnte" e "grfite". A grfit é o polimorfo estável ns condições mbientes, enqunto o dimnte é formdo pressões extremmente elevds.

24 z. z (1,0,1) (0,0,1) (0,1,1) (1,1,1) (0,0,0) (0,1,0) (1,1,0) (1,0,0) y c b v xyz y x A existênci de proprieddes dependentes d orientção cristlográfic.. result n necessidde de se determinr direções e plnos em um cristl. Posições tômics em um célul unitári d estrutur C.S z x Um direção em um célul unitári é determind prtir de um vetor que prte d origem e tinge posição definid pels coordends considerds. [0 1 1] 4 3 [111] [100] 1 2 [110] y x Direções em um célul unitári cúbic. Plnos cristlográficos em estruturs cúbics.

25 DEFEITOS CRISTALINOS O QUE É UM DEFEITO? É um imperfeição ou um "erro" no rrnjo periódico regulr dos átomos em um cristl. Podem envolver um irregulridde n posição dos átomos no tipo de átomos O tipo e o número de defeitos dependem do mteril, do meio mbiente, e ds circunstâncis sob s quis o cristl é processdo. Tipos de defeitos Defeitos Pontuis: irregulriddes que se estendem sobre somente lguns átomos (0-D) Defeitos Lineres: irregulriddes que se estendem trvés de um únic fileir de átomos (1-D) Defeitos Plnres (superfície): irregulriddes que se estendem trvés de um plno de átomos (2-D) Defeitos Volumétricos: irregulriddes que se estendem sobre o conjunto 3-D dos átomos n estrutur Por que os defeitos são importntes? Os defeitos, mesmo em concentrções muito pequens, podem cusr um mudnç significtiv ns proprieddes de um mteril. Sem presenç de defeitos: os dispositivos eletrônicos do estdo sólido não existirim os metis serim muito mis resistentes os cerâmicos serim muito mis tenzes os cristis não terim nenhum cor

26 DEFEITOS PONTUAIS Vzios (Lcuns ou Vcâncis) e Intersticiis Impurezs nos Sólidos Impurezs Substitucionis Vzios (Lcuns ou Vcâncis) e Intersticiis Vzios = usênci de um átomo d su posição norml em um estrutur cristlin perfeit A presenç de um vzio signific que s ligções tômics n vizinhnç do defeito não form stisfeits Intersticiis = ocorrênci de um átomo em um posição que não pertence à estrutur do cristl perfeito, como um vzio intersticil A presenç de um intersticil signific um distorção n estrutur devido o desjuste cusdo pel presenç deste átomo Impurezs nos Sólidos : TERMINOLOGIA cristl mtriz = solvente átomos de impurez = soluto O cristl mtriz contendo impurezs é chmdo um solução sólid, porque os átomos de impurez ocupm posições letóris no cristl, similrmente um soluto em um líquido. Tipos de Soluções Sólids soluções sólids Substitucionis :os átomos de impurez estão loclizdos em posições normlmente ocupds pelos átomos do cristl mtriz. Eles "substituem" os átomos do cristl mtriz. soluções sólids Intersticiis os átomos de impurez estão loclizdos nos interstícios d estrutur cristlin mtriz. Normlmente tem um pequeno tmnho qundo comprds os átomos d mtriz.

27 IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS CRISTALINOS i) DEFEITOS PUNTUAIS Movimento de um cátion num posição norml pr um interstício Lcun de cátion e lcun de ânion AUSÊNCIA OU PRESENÇA DE ÁTOMOS () Vcânci, (b) Átomo intersticil, (c) Pequeno átomo substitucionl, (d) Grnde átomo substitucionl, (e) Defeito Frenkel, (f) Defeito Schottky. Todos estes defeitos destroem loclmente o rrnjo cristlino perfeito dos átomos vizinhos.

28 DEFEITOS EM LINHA NOS MATERIAIS CRISTALINOS O que são Os defeitos em linh são imperfeições em um estrutur cristlin ns quis um linh de átomos tem um estrutur locl que difere d estrutur circunvizinh. eles são cridos devido às condições de processmento ( form usd n fbricção do mteril) e por forçs mecânics que tum sobre o mteril. estão quse sempre presentes nos cristis reis. em um mteril típico, proximdmente 5 de cd 100 milhões de átomos ( %) pertencem um defeito de linh. Veremos que os defeitos em linh, que são chmdos discordâncis, têm um forte influênci sobre s proprieddes mecânics dos metis e de lguns cerâmicos. A tensão de cislhmento correspondente o início d fse plástic em um monocristl é surpreendentemente pequen qundo comprd à resistênci o cislhmento de um cristl perfeito (clculd em termos de forçs coesivs entre os átomos). Em outrs plvrs, o cristl se deform plsticmente com tensões 1/ de su resistênci teóric. Anlogmente, os cristis reis de outros metis se deformm sob tensões que são frções pequens de sus resistêncis teórics (1/ /10.000). A explicção pr discrepânci entre os limites de escomento clculdo e rel reside no fto de que os cristis não são perfeitos, pois contem defeitos, sendo que s discordâncis são o tipo de defeito responsável por este fto.

29 Discordâncis discordâncis são defeitos 1D em um cristl. o tipo mis simples de discordânci pode ser visto como um semi-plno tômico extr, inserido n estrutur, o qul termin em qulquer lugr do cristl. extremidde do meio plno é discordânci, conforme mostr figur o ldo. discordâncis deste tipo são chmds discordâncis em rest ou em cunh e são representds pelo símbolo ^ : discordânci é mostrd em verde podemos desenhr um vetor, t, tngente à discordânci, que define su direção Consideremos gor o semiplno extr que está dentro do cristl. Um exme d figur bixo (esquem tridimensionl de um discordânci em rest) mostr clrmente que o cristl está distorcido onde o semiplno tinge o plno de escorregmento Pode-se tmbém deduzir que distorção diminui de intensidde qundo se cminh em sentido oposto à rest do semiplno, porque grndes distâncis dess rest, os átomos tendem rerrnjr-se como em um cristl perfeito. A distorção do cristl é, pois, centrd em torno d rest do plno extr.

30 iii) DEFEITOS LINEARES (DISCORDÂNCIAS) DISCORDÂNCIAS NO HRTEM

31 DISCORDÂNCIA EM HÉLICE Um discordânci é em hélice qundo o empilhmento dos plnos tômicos é feito como um mol. DISCORDÂNCIA MISTA As discordâncis são produzids durnte solidificção do mteril ou qundo é plicd um tensão cislhnte sobre estrutur cristlin. Em gerl, um discordânci em cunh está ssocid um discordânci em hélice, o que form um discordânci mist e neste cso, linh de discordânci é únic pr s dus discordâncis, como ilustr figur bixo.

32 Movimento ds Discordâncis

33 Interção entre um discordânci e um obstáculo (precipitdo)

34 Interção entre Pont de um trinc e um discordânci

35 DISCORDÂNCIAS NO TEM

36 Defeitos tipo Superfície

37 Defeitos Volumétricos - Inclusões Impurezs estrnhs - Precipitdos são glomerdos de prtículs cuj composição difere d mtriz - Porosidde origin-se devido presenç ou formção de gses - Fses devido à presenç de impurezs (ocorre qundo o limite de solubilidde é ultrpssdo)

38 Formção dos grãos cristlinos (Solidificção) LÍQUIDO EMBRIÕES DA FASE SÓLIDA

39 Desenvolvimento d estrutur cristlin em um lingote fundido durnte o processo de fundição () Começo d nucleção; (b) Zons coquilhds ; (c)crescimento preferencil produz um zon de grãos colunres; (d)nucleção dicionl crindo um zon equiquixil.

40 Crescimento dendrítico de um estrutur brut de fusão (Modelo) Crescimento dendrítico de um estrutur brut de fusão (rel)

41 Esses embriões, com evolução d trnsformção, são trnsformdos em núcleos d nov fse, como mostr figur 1) N etp de nucleção, os núcleos surgem de form letóri, cd um com orientção cristlográfic própri, porém, em um mesmo núcleo, seus átomos têm mesm orientção cristlográfic e ssim se define tl região como grão cristlino. N fse seguinte à nucleção, denomind de crescimento, esses núcleos crescem e entrm em contto com seus núcleos vizinhos, formndo nesses pontos de contto um região conhecid como contorno de grão. Devidos o cráter tridimensionl d estrutur tômic, o contto dos vários grãos com diferentes orientções ger superfícies de contornos de grão. Figur 1) Formção de um mteril policristlino: () Presenç de embriões; (b) Embriões trnsformm-se em núcleos; (c) Crescimento dos núcleos; (d) Núcleos dão origem os grãos cristlinos; (e) Encontro dos grãos cristlinos com seus vizinhos e (f) Contornos dos grãos cristlinos.