AULA 04 IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS Capítulo 04

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1 AULA 04 IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS Capítulo 04 1

2 IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS Estrutura perfeita no arranjo atômico, existe?? Material Cristalino 2

3 IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS 3 Imagem representagva de um plano cristalino com imperfeições 3

4 IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS Definido como uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. MOTIVAÇÃO PARA SEU ESTUDO Estas imperfeições afetam o comportamento dos materiais, exemplo: à Condutividade elétrica; à Resistência mecânica; à Propriedades óticas...etc 4

5 IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS São classificados de acordo com sua geometria ou dimensões: Defeitos pontuais: associados com posições atômicas. Defeitos lineares: uma dimensão. Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões. Defeitos volumétricos: três dimensões. 5

6 DEFEITOS PONTUAIS 6

7 DEFEITOS PONTUAIS (TIPOS) 1. Vacâncias ou lacunas; 2. Átomos Intersticiais (AUTO-INTERSTICIAL); 3. Frenkel; Intrínsecos 4. Schottky; Sólidos Iônicos 5. Impurezas no sólido; o Substitucional o Intersticial Extrínsecos 7

8 1. VACÂNCIAS OU LACUNAS Envolve a falta de um átomo na rede cristalina. São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais). Este defeito é gerado sempre que tivermos temperatura maior que 0 K, o u s e j a, e l e é g e r a d o p o r considerações termodinâmicas. 8

9 1. VACÂNCIAS OU LACUNAS O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura, vista através da relação: Nv= N. exp (-Qv/KT) N v = número de vacâncias. N= número de posições/sítios de ponto da rede cristalina por cm 3. Qv= energia requerida para formação de vacâncias. K= const. de Boltzman = 1,38x10 23 J/at.K ou 8,62x10-5 ev/ at.k. T= temperatura em Kelvin ( o C +273) Para a maioria dos metais, a uma temperatura um pouco inferior a temperatura de fusão, a relação N v /N é de aproximadamente 1/10.000, ou seja, 1 vacância a cada posições/sígos atômicos. 9

10 Exemplo 4.1 (livro): Calcule o número de lacunas em equilíbrio por metro cúbico de cobre a uma temperatura de 1000 C. A energia para a formação de uma lacuna é de 0,9 ev/átomo; o peso atômico e a densidade (a 1000 C) para o cobre são de 63,5 g/ mol e 8,4 g/cm 3. Tf= 1085 o C Resolução: Nv= N. exp (-Qv/KT) N v = número de vacâncias. N= número de posições/sítios de ponto da rede cristalina por cm 3. Qv= energia requerida para formação de vacâncias. K= const. de Boltzman = 1,38x10 23 J/at.K ou 8,62x10-5 ev/ at.k. T= temperatura em Kelvin ( o C +273) Resp.: 2, lacunas/m 3 10

11 2. ÁTOMOS INTERSTICIAIS à Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal). à Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício. à A formação de um defeito (auto)intersticial implica grandes deformações na rede, sendo menos provável que uma lacuna. 11

12 2. ÁTOMOS INTERSTICIAIS Átomo intersticial grande Gera maior distorção na rede Átomo intersticial pequeno 12

13 3. DEFEITO FRENKEL Ø Ocorre em sólidos iônicos. à Envolve um par composto por uma lacuna de cátion e um cátion intersticial. Um cátion que deixa a sua posição normal da rede cristalina e se move para o interior de um sítio intersticial. 13

14 4. DEFEITO SCHOTTKY à Ocorre em sólidos iônicos. à Consiste em um par formado por uma lacuna de cátion e uma lacuna de ânion. Deve manter a neutralidade da rede cristalina. à Remoção de um cátion e de um ânion do interior do cristal, seguido pela colocação de ambos os íons em uma superfície externa. à Estequiometria == > na rede cristalina há uma razão exata entre os cátions e ânions. Ex.: NaCl 14

15 Figura x20 é WusGta Razão= 10 aniôns/ 9 cágons 15

16 DEFEITO SCHOTTKY Defeito Schosky Defeito Frenkel 16

17 DEFEITOS PONTUAIS Os defeitos pontuais descritos acima, são do Gpo intrínsecos. Defeitos pontuais intrínsecos envolvem apenas as espécies químicas consgtuintes do material. Os defeitos intrínsecos sempre estão presentes no cristal em níveis determinados por considerações termodinâmicas. X Defeitos extrínsecos envolvem espécies químicas diferente dos consgtuintes do material impurezas Estes defeitos são necessários para permigr a entrada no cristal de impurezas, do Gpo dopantes. 17

18 IMPUREZA NOS SÓLIDOS Um metal puro que consiste em apenas um tipo de átomo é simplesmente impossível. Átomos estranhos estarão sempre presentes, e irão existir como defeitos cristalinos pontuais. Mesmo em técnicas sofisticadas de fabricação, um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes, exemplo: 99,9999% = átomos de impurezas por m 3 Ex.: As ligas são materiais onde as impurezas foram adicionadas intencionalmente para conferir alguma característica especial ao material. 18

19 IMPUREZA NOS SÓLIDOS Estas impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade de: - aumentar a resistência mecânica (Cu na Ag) - aumentar a resistência à corrosão (Cr no Fe-C) - Etc. A adição de átomos de impurezas a um metal irá resultar na formação de uma solução sólida e/ou uma nova segunda fase irá se formar. 19

20 IMPUREZA NOS SÓLIDOS Soluções sólidas < limite de solubilidade Formação de segunda fase > limite de solubilidade 20

21 IMPUREZA NOS SÓLIDOS Em uma solução sólida, temos: Elemento de liga ou Impureza Soluto (está em < quantidade) Matriz ou Hospedeiro Solvente (está em > quantidade) Ex: Prata Sterling (925) É uma mistura de mistura obgda a pargr de 92,5% de prata pura e cobre 7,5%. É mais dura quando comparada a prata pura. 21

22 IMPUREZA NOS SÓLIDOS EXEMPLOS: Prata Isto significa que existem 925 partes de prata em 1000 partes de metal ou em outras palavras, 92,5% do metal é prata pura e o restante é liga (cobre e prata). Prata referida como a prata Britânica isso significa que é de 95% de prata pura, o restante é de liga. Prata 999 (ou 1000) é a prata no seu estado mais puro como seria de esperar significa 99,9% do metal uglizado é prata. 22

23 SOLUÇÕES SÓLIDAS Nas soluções sólidas as impurezas podem ser: - Intersticial - Substitucional 23

24 SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS à Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios. à Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro/ matriz/solvente. à 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 dos metais. 24

25 SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS 25

26 SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS Exemplo: Cu + Ni à são solúveis em todas as proporções Cu Ni Raio atômico 0,128nm=1,28 A 0,125 nm=1,25a Estrutura CFC CFC EletronegaQvidade 1,9 1,8 Valência +1 (as vezes +2) +2 26

27 DEFEITOS LINEARES 27

28 DEFEITOS LINEARES Discordância: É um defeito linear ou unidimensional onde os átomos estão desalinhados. Podem ser classificadas em: 1. Aresta / Cunha 2. Espiral / Hélice 3. Mista Exemplo de discordância em aresta ou cunha 28

29 DISCORDÂNCIAS EM ARESTA/CUNHA Envolve um SEMI-plano extra de átomos. Apresenta zonas de tração e compressão (campo de deformações) na região da discordâncias. O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância. 29

30 Vetor de Burgers (b) à Dá a magnitude e a direção de distorção da rede. à Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância. Circuito de Burgers 30

31 DISCORDÂNCIAS EM ARESTA/CUNHA Símbolo para discordância em aresta 31

32 DISCORDÂNCIAS EM ESPIRAL/HÉLICE Pode ser considerada como sendo formada por uma tensão cisalhante que é aplicada para produzir uma distorção na rede cristalina. A região superior é deslocada uma distância atômica para a direita em relação a fração inferior. O vetor de Burger é paralelo à direção da linha da discordância. Símbolo para discordância em hélice. 32

33 Comparando o Vetor de Burgers (b) entre as discordâncias Aresta Hélice 33

34 DISCORDÂNCIAS MISTA As discordâncias encontradas nos materiais cristalinos não é puramente em ARESTA ou ESPIRAL, mas exibe componentes que são característicos de ambos, denominados de discordâncias mistas. 34

35 DISCORDÂNCIA EM ESPIRAL NA SUPERFÍCIE DE UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENTOS SUPERFICIAIS. (Fig in Schaffer et al.). 35

36 DISCORDÂNCIA EM ARESTA. 36

37 DEFEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS 37

38 DEFEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS (2 DIMENSÕES) Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas. 1. Super cie externa 2. Contorno de grão 3. Fronteiras entre fases 4. Maclas ou Twins 38

39 1. SUPERFÍCIES EXTERNAS Na super cie, os átomos não estão completamente ligados ao número máximo de vizinhos. Então o estado energia dos átomos na super cie é maior que no interior do cristal. 39

40 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. Na região do contorno de grãos existem desencontros atômicos na transição da orientação cristalina de um grão para aquela de outro grão adjacente. São possíveis vários graus de desalinhamento cristalográfico entre grãos adjacentes. Quando esse desencontro da orientação é pequeno, da ordem de apenas poucos graus, usa- se o termo contorno de grãos de baixo ângulo. Os contornos de grãos, como apresentam maior energia, são quimicamente mais reagvos do que os grãos. Assim, a realizar- se um ataque químico específico (ataque metalográfico), o contorno de grãos, como é mais relaqvo, será revelado. A magnitude desta energia é uma função do grau de desorientação, sendo maior para contornos de grande ângulo. 40

41 2. CONTORNO DE GRÃO 41

42 2. CONTORNO DE GRÃO b) Crescimento dos cristais. a)formação de pequenos núcleos de cristalização (cristalitos) c)formação de Grãos, com formatos irregulares, a p ó s c o m p l e t a d a a solidificação. d ) Vista, num microscópio, as linhas escuras são os contornos dos Grãos. Os átomos estão ligados de maneira menos regular ao longo de um contorno de grão; Conseqüentemente existe uma energia interfacial ou de contorno de grão que é semelhante à energia de super cie; 42

43 2. CONTORNO DE GRÃO A energia interfacial total de materiais com grãos grandes é menor que a energia de materiais com grãos finos, uma vez que existe uma menor área de contorno total em materiais com grãos grosseiros. 43

44 3. FRONTEIRAS ENTRE FASES 44

45 4. CONTORNO DE MACLAS (OU TWINS) Imagem em microscopia É um Qpo especial de contorno de grãos, através do qual existe uma simetria em espelho da rede cristalina; isto é, os átomos em um lado do contorno estão localizados em posições de imagem em espelho dos átomos no outro lado do contorno. A região entre estes contornos é chamada de macla. As maclas resultam de deslocamentos atômicos que são produzidos a pargr de forças mecânicas de cisalhamento aplicadas e também durante tratamentos térmicos de recozimento realizados após deformações (maclas de recozimento). 45

46 4. CONTORNO DE MACLAS (OU TWINS) Material policristalino 46

47 DEFEITOS VOLUMÉTRICOS 47

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