ESTADOS EXCITADOS: fonões, electrões livres

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1 Capítulo III.1 DEFEITOS (IMPERFEIÇÕES) NOS SÓLIDOS CRISTALINOS ESTADOS EXCITADOS: fonões, electrões livres DEFEITOS TRANSIENTES: fotões, electrões, neutrões tõ

2 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS IMPORTÂNCIA DEFEITOS INTRODUÇÃO SELECTIVA CONTROLE DO NÚMERO ARRANJO Permite desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades

3 Exemplos de efeitos da presença de imperfeições O processo de dopagem em semicondutores pretende criar imperfeições de modo a aumentar a condutividade eléctrica 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 deslocações) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe se a aproximadamente a 270MPa.

4 DEFEITOS ESTÁTICOS PONTUAIS LINEARES SUPERFICIAIS VOLUMÉTRICOS DEFEITOS PONTUAIS Átomo intersticial Átomo substitucional Lacuna

5 Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo é geralmente maior do que o volume do interstício Átomo intersticial pequeno Átomo intersticial grande Gera maior distorção na rede

6 Quatro lacunas PAR DE FRENKEL Ocorre quando um ião sai da sua posição normal e vai para um interstício PAR DE SCHOTTKY Presente em compostos que têm de manter o balanço de cargas. Envolve a falta de um anião e/ou um catião.

7 CONSIDERAÇÕES GERAIS Lacunas e pares de Sh Schottky favorecem a difusão. Estruturas de empacotamento máximo têm um menor número de defeitos intersticiais e pares de Frenkel do que de lacunas e pares de Schottky. Porque é necessária energia adicional para forçar os átomos para novas posições IMPUREZAS NOS SÓLIDOS Um metal considerado puro tem sempre impurezas (átomos estranhos) presentes: 99,9999% = impurezas por cm 3 A presença de impurezas promove a formação de defeitos A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais.

8 LIGAS METÁLICAS As impurezas (chamadas elementos deliga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade de aumentar: a resistência mecânica a resistência à corrosão a condutividade elétrica etc. A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR: Soluções sólidas < limite de solubilidade Segunda fase > limite it de solubilidade d A solubilidade depende: Temperatura Tipo de impureza Concentração da impureza

9 SOLUÇÕES SÓLIDAS Nassoluções soluções sólidas as impurezas podem ser: Intersticial Substitucional i Ordenada Desordenada INTERSTICIAL (i) SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os interstícios. Ocorre quando a impureza apresenta raio atómico bem menor do que o hospedeiro ou matriz. Como os materiais metálicos tem geralmente factor de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas. Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios

10 Fe + C EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 910 o C (Fe, CFC) O C tem raio atómico bastante pequeno comparado com o raio atómico do Fe (ii) SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS r C = 0,071 nm= 0,71 Å r Fe = 0,124 nm= 1,24 Å SUBSTITUCIONAL ORDENADA SUBSTITUCIONAL DESORDENADA

11 SOLUÇÕES SÓLIDAS (desordenadas)

12 Lacunas em cristais iónicos DIFUSÃO sujeita às leis de Fick

13 DEFEITOS LINEARES DESLOCAÇÕES em cunha helicoidal VECTOR DE BURGER Dá a grandeza e a direção da distorção da rede Corresponde à distância do deslocamento dos átomos ao redor da deslocação (i) DESLOCAÇÃO EM CUNHA Envolve um semi plano extra de átomos. O vector de Burger é perpendicular à direção da linha da deslocação. Envolve zonas de tracção e compressão.

14 DESLOCAÇÃO EM CUNHA Plano de átomos extra

15

16 (ii) () DESLOCAÇÃO HELICOIDAL Produz distorção na rede. O vector de Burger é paralelo à direção da linha da deslocação.

17 Propagação de uma deslocação em cunha ao longo do cristal degrau

18 Movimento de deslocações

19 DEFEITOS SUPERFICIAIS Envolvem fronteiras (defeitos a duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais com estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas diferentes. Superfície externa Contorno de grão Fronteiras entre fases Maclas ou Twins Dfit Defeitos de empilhamento

20 Normalmente uma amostra de um material cristalino não é constituída por um único cristal mas por vários GRÃOS 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 num arranjo regular e periódico, caracterizado pela célula unitária.

21 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 LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO

22 FORMAÇÃO DOS GRÃOS A forma do grão é controlada: Pela presença dos grãos circunvizinhos O tamanho de grão é controlado Composição Taxa de cristalização ou solidificação Há um empacotamento ATÓMICO menos eficiente. Há uma energia maiselevada. Favorece a nucleação de novas fases (segregação). Favorece a difusão. O contorno de grão trava o movimento das deslocações.

23 FRONTEIRAS DE GRÃO

24 MACLAS É um tipo especial de contorno de grão. Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outroladodocontorno. A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina.

25 FALHAS DE EMPACOTAMENTO Stacking fault

26 DEFEITOS VOLUMÉTRICOS São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricaçãodo componente. Inclusões impurezas estranhas Precipitados são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz Fases formam se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado) Porosidade gases origina se devido a presença ou formação de

27 Porosidade As figuras abaixo apresentam a superfície do ferro puro durante o seu processamento por metalurgia de pó. Nota se que, embora a sinterização tenha diminuído a quantidade de poros bem como melhorado a 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

28 PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ PERLÍTICA. CADAGRÃODEPERLITA,PORSUAVEZ,ÉCONSTITUÍDOPORLAMELASALTERNADASDE DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO A) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO).

29 Inclusões INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%) LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C. Porosidade Precipitado

30 MULTIPLICAÇÃO DE DESLOCAÇÕES