ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

Transcrição

1 ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS Prof. Rubens Caram 1

2 IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS TODO CRISTAL EXIBE DEFEITOS QUANTIDADE E TIPO DE IMPERFEIÇÕES DEPENDE DA FORMA QUE O CRISTAL FOI FORMADO DEFEITOS MODIFICAM O COMPORTAMENTO DO MATERIAL: MECÂNICO ELÉTRICO QUÍMICO ÓPTICO R. Caram - 2

3 ORIGEM DA ESTRUTURA CRISTALINA ESTRUTURA CRISTALINA SURGE ATRAVÉS: TRANSFORMAÇÃO VAPOR-SÓLIDO TRANSFORMAÇÃO SÓLIDO-SÓLIDO TRANSFORMAÇÃO LÍQUIDO-SÓLIDO (SOLIDIFICAÇÃO) (FORMA MAIS COMUM EM METAIS) NUCLEAÇÃO DA NOVA FASE CRESCIMENTO DA NOVA FASE R. Caram - 3

4 NUCLEAÇÃO NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA Embriões da fase sólida NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA R. Caram - 4

5 CRESCIMENTO CRESCIMENTO OCORRE QUANDO ÁTOMOS DO LÍQUIDO SÃO AGREGADOS AO SÓLIDO A FORMA COM QUE O CALOR É RETIRADO DO LÍQUIDO DETERMINA A FORMA A MICROESTRUTURA FLUXO DE CALOR DIRECIONAL: CRISTAIS CRESCEM COM DIREÇÃO ÚNICA FLUXO NÃO DIRECIONAL: CRISTAIS CRESCEM SEM UMA DIREÇÃO PREFERENCIAL TAXA DE RETIRADA DE CALOR DO LÍQUIDO: À MEDIDA QUE ESSA TAXA DECRESCE, TORNA-SE POSSÍVEL OBTER CRISTAIS DE MAIOR PERFEIÇÃO R. Caram - 5

6 CRESCIMENTO CONTROLADO PROCESSO CZOCHRALSKI DE CRESCIMENTO DE CRISTAIS Si Mono-cristalino R. Caram - 6

7 CRESCIMENTO NÃO CONTROLADO PROCESSO DE FUNDIÇÃO R. Caram - 7

8 IMPERFEIÇÕES EM CRISTAIS TIPOS DE IMPERFEIÇÕES PONTUAIS EM LINHA DE SUPERFÍCIE ALUMINA POLICRISTALINA ALUMINA MONOCRISTALINA (SAFIRA) R. Caram - 8

9 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS VAZIOS OU VACÂNCIAS SÃO ESSENCIAIS EM PROCESSOS DE DIFUSÃO QUANTIDADE AUMENTA COM A TEMPERATURA Vazio Vazio R. Caram - 9

10 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS DEFEITOS DE FRENKEL E DE SCHOTTKY DEFEITO DE SCHOTTKY DEFEITO DE FRENKEL R. Caram - 10

11 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS ÁTOMO SUBSTITUCIONAL R. Caram - 11

12 IMPERFEIÇOES PONTUAIS ÁTOMO INTERSTICIAL R. Caram - 12

13 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CFC) OCTAÉDRICA TETRAÉDRICA R. Caram - 13

14 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CFC) OCTAÉDRICA R. Caram - 14

15 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CFC) TETRAÉDRICA R. Caram - 15

16 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CCC) OCTAÉDRICA TETRAÉDRICA R. Caram - 16

17 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CCC) OCTAÉDRICA R. Caram - 17

18 IMPERFEIÇÕES PONTUAIS POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CCC) TETRAÉDRICA R. Caram - 18

19 SOLUÇÃO SÓLIDA SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL MISTURA DE ELEMENTOS, ONDE O SOLUTO OCUPA POSIÇÕES INTERSTICIAIS EX.: Fe-C, Fe-H SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL MISTURA DE ELEMENTOS ONDE O SOLUTO OCUPA POSIÇÕES SUBSTITUCIONAIS EX.: Cu-Zn, Cu-Sn ELEMENTO EM MAIOR QUANTIDADE: SOLVENTE ELEMENTO EM MENOR QUANTIDADE: SOLUTO R. Caram - 19

20 S.S. E PROPRIEDADES MECÂNICAS Limite de Escoamento, MPa % Soluto PRESENÇA DE SOLUTOS ALTERA O COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS METAIS: DIFERENÇA ENTRE TAMANHOS ATÔMICOS LEVA AO AUMENTO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA AUMENTO DA QUANTIDADE DE SOLUTO LEVA AO AUMENTO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA EXÊMPLOS: LIGA Cu-Zn: AUMENTO PEQUENO TAMANHOS ATÔMICOS PRÓXIMO LIGA Cu-Sn: AUMENTO MÉDIO - TAMANHOS ATÔMICOS DIFERENTES LIGA Cu-Be: AUMENTO ELEVADO TAMANHOS ATÔMICOS DIFERENTES R. Caram - 20

21 DIAGRAMA DE FASES Cu-Zn R. Caram - 21

22 DIAGRAMA DE FASES Fe-C R. Caram - 22

23 DIAGRAMA DE FASES Cu-Sn R. Caram - 23

24 EXERCÍCIO Determine o raio do interstício octaédrico no ferro γ. Dados: estrutura do ferro γ=cfc e raio atômico=0,129 nm o sen 45 = R + r = 2 = 2 R r 2 = 1+ R r = R 0,414 R = R + r Como o raio atômico do ferro é igual a 1,29 nm, o raio do interstício será dado por: r = R 0,414 = 0,129 0,414 = 0,053 nm r R Plano (200) na estrutura CFC R+r 45 o R R R. Caram - 24

25 SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL EM UMA SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL, A SOLUBILIDADE DE UM ELEMENTO EM OUTRO SERÁ ELEVADA DESDE QUE: (a) ESTRUTURA CRISTALINA DO SOLUTO SEJA A MESMA DO SOLVENTE; (b) VALÊNCIAS DO SOLUTO E DO SOLVENTE SEJAM IGUAIS; (c) ELETRO-NEGATIVIDADES DO SOLUTO E DO SOLVENTE SEJAM PRÓXIMAS (PARA QUE UMA REAÇÃO QUÍMICA SEJA EVITADA) E (d) RAIOS ATÔMICOS DO SOLUTO E SOLVENTE TENHAM VALORES PRÓXIMOS (A DIFERENÇA NÃO DEVE ULTRAPASSAR 15 %). R. Caram - 25

26 EXERCÍCIO Uma liga Al-Cu tem 5 % em peso de Cu e 95 % em peso de Al. A massa atômica do Al é 27 g/mol e do Cu é 63,5 g/mol. Determine a quantidade de cobre em % em átomos. R. Caram - 26

27 EXERCÍCIO Uma liga Al-Cu tem 5 % em peso de Cu e 95 % em peso de Al. A massa atômica do Al é 27 g/mol e do Cu é 63,5 g/mol. Determine a quantidade de cobre em % em átomos. Em 100 g da liga existem 95 g de alumínio e 5 g de cobre. 1 mol (6,02 x átomos) de Cu = 63,5 g 6,02 x átomos 63,5 g N Cu átomos 5 g N Cu = 5 g x 6,02 x /63,5 g = 0,47 x átomos de Cu 6,02 x átomos 27 g N Al átomos 95 g N Al = 95 g x 6,02 x /27 g = 21,18 x átomos de Al O número total de átomos é: N total = N Cu + N Al = 21,65 x10 23 átomos Quantidade de Cu na liga em % em átomos é: % em átomos de Al = 21,18 x /21,65 x10 23 x 100% = 97,8 % % em átomos de Cu = 0,47 x /21,65 x10 23 x 100% = 2,2 %. R. Caram - 27

28 IMPERFEIÇÕES EM LINHA OS CRISTAIS APRESENTAM DEFEITOS ALINHADOS E CONTÍNUOS: IMPERFEIÇÕES EM LINHA OS DEFEITOS EM LINHA, TAMBÉM CHAMADOS DE DISCORDÂNCIAS SÃO IMPERFEIÇÕES QUE CAUSAM A DISTORÇÃO DA REDE CRISTALINA EM TORNO DE UMA LINHA E CARACTERIZAM-SE POR ENVOLVER UM PLANO EXTRA DE ÁTOMOS. ESTAS IMPERFEIÇÕES PODEM SER PRODUZIDAS DURANTE O CRESCIMENTO DO CRISTAL OU NA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DO CRISTAL EXISTEM DOIS TIPOS PRINCIPAIS DE DISCORDÂNCIAS: DISCORDÂNCIA EM CUNHA DISCORDÂNCIA EM HÉLICE R. Caram - 28

29 DISCORDÂNCIAS R. Caram - 29

30 DISCORDÂNCIA EM CUNHA b r Linha de Discordância R. Caram - 30

31 DISCORDÂNCIA EM HÉLICE Linha de Discordância b r R. Caram - 31

32 DISCORDÂNCIA MISTA R. Caram - 32

33 DISCORDÂNCIAS DISCORDÂNCIAS NO COBRE R. Caram - 33

34 DISCORDÂNCIAS DISCORDÂNCIAS NO SILÍCIO R. Caram - 34

35 DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS R. Caram - 35

36 DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS R. Caram - 36

37 IMPERFEIÇÕES DE SUPERFÍCIE CRISTAIS APRESENTAM DEFEITOS EM DUAS DIMENSÕES, QUE SE ESTENDEM AO LONGO DA ESTRUTURA, GERANDO IMPERFEIÇÕES DE SUPERFÍCIES: SUPERFÍCIES LIVRE FALHAS DE EMPILHAMENTO CONTORNOS DE GRÃO MACLAS R. Caram - 37

38 SUPERFÍCIES LIVRES Superfície Externa R. Caram - 38

39 FALHAS DE EMPILHAMENTO HC FALHA DE EMPILHAMENTO CFC R. Caram - 39

40 GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃOS NUCLEAÇÃO R. Caram - 40

41 GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃOS R. Caram - 41

42 OBSERVAÇÃO DE C.G. Luz Refletida Luz Incidente R. Caram - 42

43 FERRO FUNDIDO NODULAR MATRIZ FERRÍTICA E NÓDULOS DE GRAFITA (CINZA) R. Caram - 43

44 LIGA EUTÉTICA TERNÁRIA EUTÉTICO Nb 2 Al-Al 3 Nb-AlNiNb R. Caram - 44

45 AÇO BAIXO CARBONO (1020) FERRITA E PERLITA R. Caram - 45

46 AÇO ALTO CARBONO (1070) FERRITA E PERLITA R. Caram - 46

47 AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO GRÃOS AUSTENÍTICO R. Caram - 47

48 COBRE R. Caram - 48

49 TAMANHO DE GRÃO ASTM n, TAMANHO DE GRÃO N, GRÃOS/POL N = n R. Caram - 49

50 TAMANHO DE GRÃO ASTM R. Caram - 50

51 TAMANHO DE GRÃO ASTM n=1 5 µm n=4 n=8 R. Caram - 51

52 MACLAS MACLAS PODEM SURGIR A PARTIR DE TENSÕES TÉRMICAS OU MECÂNICAS. TAL DEFEITO OCORRE QUANDO PARTE DA REDE CRISTALINA É DEFORMADA, DE MODO QUE A MESMA FORME UMA IMAGEM ESPECULAR DA PARTE NÃO DEFORMADA. PLANO CRISTALOGRÁFICO DE SIMETRIA ENTRE AS REGIÕES DEFORMADAS E NÃO DEFORMADA, É CHAMADO DE PLANO DE MACLAÇÃO. R. Caram - 52

53 MACLAS R. Caram - 53

54 MACLAS MACLA R. Caram - 54