DEFEITOS CRISTALINOS. Conceitos Gerais

Transcrição

1 DEFEITOS CRISTALINOS Conceitos Gerais

2 CAPA 1

3 CAPA 2 1 Defeitos atômicos usados para reduzir a emissão de poluentes 2 Conversor catalítico poluente é retido pelo material que tem esta capacidade em função da geração de Defeitos (d) Imagem em alta resolução TEM do defeito (c)substrato cerâmico onde o conversor é depositad (b)esquema do dispositivo (a) Representação do local onde odispositvo é instalado

4 DIMENSÃO Defeitos

5 Imperfeições nos sólidos

6 Defeito 1 Defeito 2

7

8

9 DEFEITOS EM CRISTAIS Ordem Conceito de perfeição Presença de defeitos Desordem Material Policristalino

10 DEFINIÇÃO Defeito cristalino: imperfeição do reticulado cristalino Classificação dos defeitos cristalinos: Defeitos puntiformes (associados com uma ou duas posições atômicas): lacunas e átomos intersticiais. Defeitos de linha (defeitos unidimensionais): discordâncias Defeitos bidimensionais (fronteiras entre duas regiões com diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações cristalográficas): contornos de grão, interfaces, superfícies livres, contornos de macla, defeitos de empilhamento. Defeitos volumétricos (defeitos tridimensionais): poros, trincas e inclusões.

11 Defeitos Pontuais - Motivos Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal real estão sempre vibrando. Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a chance de átomos saírem de suas posições, deixando um vazio em seu lugar. Por outro lado, dentro da rede cristalina existem inúmeros interstícios, espaços vazios entre os átomos, nos quais é possível alojar outros átomos. Finalmente, é praticamente impossível obter um material infinitamente puro. Sempre haverá impurezas presentes na rede cristalina.

12 Defeitos Pontuais Lacunas/Intersticial LACUNA Lacuna ( vacancy ) Vazios ou Vacâncias : ausência de um átomo em um ponto do reticulado cristalino. Existe uma concentração de equilíbrio de lacunas. São formados durante a solidificação em cristais ou como resultado das vibrações atômicas onde: N = número total de posições atômicas N L =número de lacunas Q L =energia de ativação para formação k =constante de Boltzmann T = temperatura absoluta AUTO INTERSTICIAL Auto-intersticial: é um átomo extra que ocupa um interstício da estrutura cristalina. Os defeitos auto-intersticiais causam uma grande distorção do reticulado cristalino a sua volta. A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância

13 Defeitos Pontuais Impurezas É impossível existir um metal consistindo de um só tipo de átomo (metal puro). As técnicas de refino atualmente disponíveis permitem obter metais com um grau de pureza no máximo de 99,9999%. 99,9999% = impurezas por cm3 Impurezas poderão assumir dois tipos de posição na rede cristalina de outro material Interstícios - espaços vazios na rede Substituindo - um átomo do material Impureza intersticial - um exemplo Fundamental Carbono em α-ferro (aço) Solução sólida substitucional: os átomos de soluto substituem uma parte dos átomos de solvente no reticulado. Solução sólida intersticial: os átomos de soluto ocupam os interstícios existentes no reticulado.

14 Defeitos Pontuais Influência na estrutura cristalina

15 Defeitos Pontuais Ligas Metálicas As impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade: aumentar a resistência mecânica Aumentar a condutividade elétrica aumentar a resistência à corrosão Etc.

16 Solução Sólida ex solução líquida

17 Solução Sólida Substitucional FATORES QUE INFLUEM NA FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS REGRA DE HOME-ROTHERY Raio atômico deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase Estrutura cristalina mesma Eletronegatividade próximas Valência mesma ou maior que a do hospedeiro

18 Solução Sólida Substitucional (exemplo) Cu + Ni são solúveis em todas as proporções Cu Ni Raio atômico 0,128nm=1,28 A 0,125 nm=1,25a Estrutura CFC CFC Eletronegatividade 1,9 1,8 Valência +1 (as vezes +2) +2

19 Solução Sólida Substitucional (exemplo) Cu + Ni são solúveis em todas as proporções A liga CuNi 90/10 é de aplicação extremamente versátil, que combina excelente resistência a corrosão por água marinha, aliado a boas características de propriedades mecânicas além de alta ductilidade, a liga contém aproximadamente 10% de Níquel, com pequenas adições de ferro e manganês com o propósito de aumentar a resistência á água salgada e a erosão proveniente da areia transportada pela água, os materiais podem ser apresentados na forma de barras, tubos, curvas, e conexões,

20 Solução Sólida Substitucional (exemplo) Cu + Ni são solúveis em todas as proporções Além das aplicações, em plataformas OFF-SHORE, existem ainda aplicações em navios de pesca, em empresas de Energia Elétrica e também em indústrias químicas. Os equipamentos normalmente fabricados são condensadores e trocadores de calor, tubos para condução de água salgada, centrais de destilação e o revestimento dos porões nos navios de pesca onde as qualidades anti-corrosivas do aço UNS C70600 são comprovadas.

21 Solução Sólida Substitucional (exemplo)

22 Solução Sólida Intersticial Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro 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

23

24 Solução Sólida Intersticial (exemplo) Fe + C solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 910 C (Fe CFC) O C tem raio atômico bastante pequeno se comparado com o Fe rc= 0,071 nm= 0,71 A rfe= 0,124 nm= 1,24 A O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura próxima da transformação alotrópica?

25 Ligas e Joalheria Mas porque ligamos o ouro? - As propriedades físicas e mecânicas do material são alteradas, - o preço do material diminui, - e a cor sofre alteração. Variando-se as proporções de cobre e prata em uma liga de ouro 750 (18k), obtemos diversas tonalidades: -Ouro verde: apenas prata ou grande porcentagem -Ouro pálido: proporção maior de prata que de cobre -Ouro amarelo: quantidades de prata e cobre proporcionais -Ouro vermelho: apenas cobre (ou grande porcentagem deste na liga).

26 Defeitos Pontuais Sólidos Iônicos

27 Solução Sólida X Formação de uma segunda fase

28 Defeitos Lineares As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais) A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais. Ou seja, Estes defeitos ocorrem em alta densidade e são muito importante quanto as propriedades mecânicas dos materiais. Discordâncias são mudanças abruptas na ordem regular dos átomos ao longo de uma linha (linha de discordância) no sólido. Existe uma linha separando a seção perfeita, da seção deformada do material. São responsáveis pelo comportamento mecânico dos materiais quando submetidos a cisalhamento. As discordâncias podem ser em aresta, em espirais ou como uma combinação das duas (mista) Discordância em linha ou cunha (edge dislocation) Discordância em hélice ou espiral (screw dislocation)

29 Defeitos Lineares VETOR DE BURGER (b) Dá a magnitude e a direção de distorção da rede Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância Este vetor é encontrado unindo por uma linha imaginária os átomos em torno da linha de discordância (loop). Quando este caminho mostra um espaçamento extra necessário para encontrar o primeiro e último átomo, encontramos a dimensão do vetor de burgers.

30 Defeitos Lineares - Cunha Envolve um SEMI-plano extra de átomos O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância Envolve zonas de tração e compressão

31 Defeitos Lineares - Hélice

32 Defeitos Lineares -mista

33 Sistemas de deslizamentos O cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica, por isso a densidade das mesmas depende da orientação cristalográfica As discordâncias geram vacâncias As discordâncias influem nos processos de difusão As discordâncias contribuem para a deformação plástica

34 Defeitos Bidimensionais Interface: contorno entre duas fases diferentes. Contornos de Grão: contornos entre dois cristais sólidos da mesma fase. Superfície Externa: superfície entre o cristal e o meio que o circunda Contorno de Macla: tipo especial de contorno de grão que separa duas regiões com uma simetria tipo espelho. Falhas de Empilhamento: ocorre nos materiais quando há uma interrupção na seqüência de empilhamento, por exemplo na seqüência ABCABCABC... dos planos compactos dos cristais CFC.

35 Defeitos Interface É o mais óbvio Na superfície os átomos não estão completamente ligados Então o estado energia dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal Os materiais tendem a minimizar está energia A energia superficial é expressa em erg/cm 2 ou J/m 2 ) Superfície

36 Defeitos Contorno de grão Quando o desalinhamento entre os grãos vizinhos é grande (maior que ~15 o ), o contorno formado é chamado contorno de grão de alto ângulo. Se o desalinhamento é pequeno (em geral, menor que 5 o ), o contorno é chamado contorno de pequeno ângulo, e as regiões que tem essas pequenas diferenças de orientação são chamadas de subgrãos. UM CRISTAL = UM GRÃO Contorno de Grão Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente Há uma energia mais elevada Favorece a nucleação de novas fases (segregação) favorece a difusão O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias

37 Defeitos Contorno de grão

38 Defeitos Contorno de grão

39 Defeitos Contorno de grão

40 LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO

41 Discordância e Contorno de Grão A passagem de uma discordância através do contorno de grão requer energia DISCORDÂNCIA O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui um obstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRÃO...A RESISTÊNCIA DO MATERIAL

42

43

44 Defeitos Volumétricos - Inclusões Impurezas estranhas - Precipitados são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz - Fases forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado) - Porosidade origina-se devido a presença ou formação de gases

45 Defeitos Volumétricos Inclusões Porosidade INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu 2 O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%) LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800 o C. COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO A 1150oC, POR 120min EM ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO

46 Defeitos Volumétricos Fases Ferro fundido

47 CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS IMPORTANTES PARA AS PROPRIEDADES MECÂNICAS Quando os metais são deformados plasticamente cerca de 5% da energia é retida internamente, o restante é dissipado na forma de calor. A maior parte desta energia armazenada está associada com as tensões associadas às discordâncias A presença de discordâncias promove uma distorção da rede cristalina de modo que certas regiões sofrem tensões compressivas e outras tensões de tração.

48 INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS ATRAÇÃO REPULSÃO

49 Mecanismos de aumento de resistência dos metais Aumento da resistência por adição de elemento de liga (formação de solução sólida ou precipitação de fases) Aumento da resistência por redução do tamanho de grão Aumento da resistência por encruamento Aumento da resistência por tratamento térmico (transformação de fase): será visto posteriormente

50 INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM SOLUÇÕES SÓLIDAS Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento. Por isso soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que seus metais puros onstituintes