IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS

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1 IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS INTRODUÇÃO Ao estudar os materiais cristalinos, tem-se admitido que existe uma perfeita ordem em escala atômica Contudo esse tipo de sólido idealizado não existe, todos os materiais contém grandes números de uma variedade de defeitos e imperfeições As propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeição no sólido cristalino Por defeito cristalino é designada uma irregularidade na rede cristalina O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa 1 2 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS - IMPORTÂNCIA- IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS Exemplos de efeitos da presença de imperfeições INTRODUÇÃO SELETIVA DEFEITOS CONTROLE DO NÚMERO ARRANJO Permite desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades 3 O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento) Ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa. Ligas: adiciona-se átomos de impureza para aumentar a resistência mecânica e a resistência à corrosão 4

2 IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas Defeitos lineares uma dimensão Defeitos planos ou interfaciais contornos bidimensionais Impurezas âtomos de impurezas podem existir como defeito pontual 1- DEFEITOS PONTUAIS Lacunas ou vacâncias ou vazios Átomos Intersticiais Schottky Frenkel Impurezas Ocorrem em sólidos iônicos, ou seja materiais cerâmicos 5 6 LACUNAS Envolve a falta de um átomo, onde um sítio deveria estar ocupado está com um átomo faltando São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais) Não é possível criar um material isento desse tipo de defeito LACUNAS Aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura Nv= N exp (-Qv/KT) Nv= número de vacâncias ou lacunas N= número total de sítios atômicos Qv= energia requerida para formação de vacâncias K= constante de Boltzman = 1,38x10 23 J/at.K ou 8,62x10-5 ev/ at.k 7 8

3 Exercicio: Calcule o número de lacunas em equilíbrio por metro cúbico de cobre a uma temperatura de 1000 o C. A energia para a formação de um lacuna é de 0,9V/átomo; o peso atômico e a densidade a (1000 o C) para o cobre são de 63,5 g/mol e 8,4 g/cm 3, respectivamente AUTO INTERSTICIAIS Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal) Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância IMPUREZAS EM SÓLIDOS Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes Mesmo com técnicas sofisticadas é dificil refinar metais até uma pureza que seja superior a: 99,9999% = a átomos de impurezas por m 3 A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais Exemplo: prata de lei é uma liga composta por 92,5% de prata e 7,5% de cobre (a prata pura é resistente à corrosão, mas é muito macia)

4 IMPUREZAS EM SÓLIDOS SOLUÇÕES SÓLIDAS A adição de impurezas pode formar: SOLUÇÕES SÓLIDAS Existem vários termos relacionado a impurezas e soluções sólidas. Com relação às ligas os termos normalmente empregados são: SOLUTO E SOLVENTE SOLVENTE: átomo ou composto presente em maior quantidade; ocasionalmente estes são chamados de átomos hospedeiros SOLUTO: é usado para indicar um elemento ou composto presente em menor concentração A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantida e não formam-se novas estruturas As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes Nas soluções sólidas as impurezas podem ser: - Intersticial - Substitucional SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS Os átomos do soluto ou átomos de impureza tomam o lugar dos átomos hospedeiros ou os substituem 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 EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTICIONAL Cu + Ni são solúveis em todas as proporções Cu 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 Ni 15 16

5 SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS INTERSTICIAL EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas. Consequentemente ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios 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 r C = 0,071 nm= 0,71 A r Fe = 0,124 nm= 1,24 A DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS É um defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns dos átomos estão desalinhados Podem ser: - Aresta - Espiral - Mista DISCORDÂNCIAS EM ARESTA Uma porção extra de um plano de átomos, ou semi-plano, cuja aresta termina no interior do cristal defeito linear, centralizado em torno da linha que fica definida ao longo da extremidade do semi-plano de átomos adicional. Isto é algumas vezes conhecido por linha de discordância 19 20

6 DISCORDÂNCIAS EM ARESTA Para figura mostrada ao lado é perpendicular ao plano da mesma Os átomos acima da linha de discordância são pressionados uns contra os outros, e, os átomos abaixo são puxados um para longe do outro (envolve zonas de tração e compressão) DISCORDÂNCIAS EM ARESTA Em posições afastadas o retículo cristalino é perfeito A discordância aresta é representada pelo símbolo:, que indica a posição da linha de discordância Se o semi-plano de átomos adicional estiver incluído na fração inferior do cristal a discordância será representado por: T Os planos de átomos verticais se curvam em torno deste semiplano adicional A magnitude dessa distorção diminui com a distância de afastamento da linha de discordância DISCORDÂNCIAS EM ESPIRAL DISCORDÂNCIAS EM ESPIRAL Pode ser considerada como sendo formada por uma tensão cisalhante que é aplicada para produzir a distorção A região anterior do cristal é deslocada uma distância atômica para cima em relação à fração posterior 23 A distorção atômica é linear ao longo de uma linha de discordância AB A discordânciua espiral tirou seu nome da trajetória ou inclinação em espiral ou helicoidal que é traçada em tornao da linha de discordância pelos planos atômnicos de átomos 24

7 DISCORDÂNCIAS MISTA A maioria das discordâncias encontrada em materiais cristalinos não é provavelmente nem uma discordância puramente aresta nem uma discordãncia puramente espiral, porém exibe componentes que são czaracterísticos de ambos os tipos; essas são conhecidas por discordâncias mistas. 25 As discordâncias podem ser observadas em materias cristalinos mediante o uso de técnicas de microscopia eletrônica As discordãncias estão envolvidas na deformação plástica de materiais cristalinos, como será visto posteriormente DISCORDÂNCIAS 26 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 Para os materiais metálicos, o vetor de Burger para uma discordância irá apontar para uma direção cristalográfiaca compacta e terá magnitude igual ao espaçamento interatômico. 27 VETOR DE BURGER (b) Discordância em aresta O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância Discordância em espiral O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância 28

8 3- DEFEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS Possuem duas dimensões e normalmente separam as regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas. Essas imperfeições incluem: superfícies externas contornos de grão contornos de macla falhas de empilhamento contornos de fases 29 DEFEITOS NA SUPERFÍCIE EXTERNA É o mais óbvio Na superfície os átomos não estão completamente ligados ao número máximo de vizinhos Então o estado energia dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal As ligações desses átomos de superfície que não estão completadas dão origem a uma energia de superfície que é expressa por J/m 2 Os materiais tendem a minimizar está energia Por exemplo, os líquidos assumem uma forma que possuem uma área mínima as gotículas se tornam esféricas, assim diminui sua área superficial. Obviamente isso não é possível nos sólidos, que são mecanicamente rígidos. 30 CONTORNOS DE GRÃO CONTORNOSDE GRÃO 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 Contorno que separa dois pequenos grãos ou cristais que possuem diferentes orientações cristalográficas em materiais policristalinos. um cristal = um grão 31 Na figura ao lado pode-se observar o contorno sob uma perspectiva atômica Dentro da região do contorno, que possui provavelmente a largura equivalente a distancia de apenas alguns átomos, existem alguns desencontros atômicos na transição da orientação cristalina de um grão para aquela de outro adjacente 32

9 CONTORNOSDE GRÃO São possíveis vários graus de desalinhamento cristalográfico entre grãos adjacentes Ângulo de desalinhamento Ângulo de desalinhamento Contorno de grão de alto angulo Contorno de grão de baixo angulo 33 CONTORNOS DE GRÃO 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 superfície; A magnitude dessa energia é função do grau de desorientação, sendo maior para contorno de ângulos grande; Como conseqüência, os contornos de grão são quimicamente mais reativos. Além disso os átomos de impureza com freqüência se segregam preferencialmente ao longo desses contornos; 34 CONTORNOS DE GRÃO A energia interfacial total é menor em materiais com grãos grandes ou grosseiros do que em materiais com grãos mais finos, uma vez que existe menos área de contorno nos primeiros; Os grãos crescem quando se encontram a temperaturas elevadas, a fim de reduzir a energia de contorno total; Materiais com grãos menores apresentarão maior resistência, pois a diferença de orientação resultará em uma descontinuidade de plano de escorregamento; Apesar do arranjo desordenado dos átomos e da falta de uma ligação regular ao longo dos contornos de grãos um material policristalino ainda é muito forte; Forças de coesão estão presentes no interior e através do contorno. Além disso, a densidade de um material policristalino é virtualmente a mesma de um monocristal feito do mesmo material 35 CONTORNOS DE MACLA OU TWIN É um tipo especial de contorno de grão Os átomos em um dos lados do contorno estão localizados em posições em imagem em espelho dos átomos no outro lado do contorno Resultam de deslocamentos atômicos que são produzidos a partir de forças mecânicas de cisalhamento aplicadas (maclas de deformação) e também durante tratamentos térmicos de recozimento realizados após deformações (maclas de recozimento) 36

10 CONTORNOS DE MACLA OU TWIN A maclagem ocorre em um plano cristalográfico definido e em uma direção específica, ambos os quais dependem da estrutura cristalina; As maclas de recozimento são encontradas tipicamente em metais que possuem uma estrutura cristalina CFC, enquanto as maclas de deformação são observadas em metais com estruturas CCC e HC A maclagem pode colocar novos sistemas de escorregamentos em orientações que são favoráveis em relação ao eixo de tensão. DEFEITOS INTERFACIAIS DIVERSOS Falhas de empilhamento: interrupção na seqüência de empilhamento ABCABCABC... dos planos compactos Contornos de fases: existem em materias com múltiplas fases, através dos quais há uma mudança repentina nas características físicas e/ou químicas DEFEITOS VOLUMÉTRICOS OU DE MASSA São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente Estes incluem: poros trincas inclusões exógenas outras fases DEFEITOS VOLUMÉTRICOS OU DE MASSA 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 39 40

11 Porosidade As figuras abaixo apresentam a superfície de ferro puro durante o seu processamento por metalurgia do pó. Nota-se que, embora a sinterização tenha diminuído a quantidade de poros bem como melhorado sua forma (os poros estão mais arredondados), ainda permanece uma porosidade residual. EXEMPLO DE PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE 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 41 A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ PERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DE DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-A) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO). 42 EXAME MICROSCÓPICO Ocasionalmente, torna-se necessário ou desejável examinar os elementos estruturais e os defeitos que influenciam as propriedades dos materiais. A capacidade de executar tais exames é importante, em primeiro lugar para assegurar que as associações entre as propriedades e a estrutura (e os defeitos) sejam compreendidas de forma apropriada, e em segundo lugar para prever as propriedades dos materiais uma vez que essas relações tenham sido estabelecidas Alguns elementos estruturais possuem dimensões macroscópicas. Contudo, na maioria dos materiais, os grãos constituintes possuem dimensões microscópicas e seus detalhes devem ser investigados utilizando algum tipo de microscópio O microscópio auxilia na investigação das características microestruturais de todos os tipos de materiais. 43