3 Imperfeições em Solidos

Prévia do material em texto

IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS 
 
Janaina Queiroga 
1 
ENGENHARIA METALURGICA 
 
 
 
 Grandes números de defeitos ou imperfeições existem 
em todos os materiais puros e ligas, monofásicos e 
polifásicos, brutos ou processados. 
 
 Defeito cristalino: Irregularidade na rede cristalina com 
uma ou mais das suas dimensões na ordem de um 
diâmetro atômico. 
 
 A maioria das propriedades dos materiais são 
influenciadas pela presença de imperfeições. 
 
 Os defeitos exercem um papel importante na difusão, 
transformação de fase e deformação dos materiais. 2 
INTRODUÇÃO 
 De onde aparecem os defeitos? 
 
 Quais são os tipos de defeitos existentes nos sólidos? 
 
 Pode o número e o tipo de defeito variar ou ser 
controlado? 
 
 Como os defeitos afetam as propriedades dos 
materiais? 
 
 São defeitos indesejáveis? 3 
QUESTÕES PARA TRATAR… 
 A solidificação resulta da moldagem do material fundido. 
 
 Duas etapas: 
 Formação de núcleos 
 Crescimento dos núcleos para formação dos cristais → estrutura 
 
 Inicia com o material fundido (completamente líquido) e os 
cristais crescem até se encontrarem. 
4 
SOLIDIFICAÇÃO 
núcleos Crescimento dos 
 cristais 
Estrutura de grãos 
líquido 
 Os grãos podem ser: 
 Equiaxiais (~ o mesmo tamanho em todas as direções) 
 Colunares (grãos alongados) 
 
5 
SOLIDIFICAÇÃO 
Colunar em 
área sob 
menor 
refrigeração 
Grãos com formato 
equiaxiais devido ao 
resfriamento rápido 
(maior T) próximo 
à parede 
Fluxo de 
Calor 
~ 8 cm 
→ O processo de fabricação é responsável da maioria dos defeitos 
Lingote de 
chumbo 
cristalino de 
elevada pureza. 
 Vacâncias (lacunas) 
 Átomo intersticial 
 Átomo substitucional 
 
 Discordâncias aresta 
 Discordâncias espiral 
 
 Superfícies externas 
 Contorno entre fases 
 Defeitos de empilhamento 
 Contorno de grão 
 Contorno de macla (twin) 
 
6 
TIPOS DE IMPERFEIÇÕES 
Defeitos pontuais 
Defeitos lineares 
Defeitos planares 
7 
DEFEITOS PONTUAIS - LACUNAS 
 Vacâncias ou lacunas: 
 Sítios atômicos vagos na estrutura. 
 
 
 
 
 
 
 Os defeitos pontuais são formados durante a 
solidificação do cristal e processamento dos materiais. 
 → Resultado do deslocamento dos átomos de suas 
posições normais. 
 
Vacância 
 (vazio) 
distorção 
do plano 
 Auto-Intersticial: 
 Átomo do cristal que se encontra comprimido no 
interior de um sítio intersticial, um pequeno espaço 
vazio que normalmente não é ocupado. 
 
 
 
 
 
 
 8 
DEFEITOS PONTUAIS - AUTO-INTERSTICIAIS 
Auto- 
intersticial 
distorção 
do plano 
 O número de lacunas em equilíbrio varia com a 
temperatura: 
 
9 
NÚMERO DE LACUNAS EM EQUILÍBRIO 
Constante de Boltzmann 
(1,38 x 10 -23 J/átomo.K) 
(8,62 x 10 -5 eV/átomo.K) 
  N v 
N 
= exp 
- Q v 
k T 
 
 
 
 
 
 
Nº de lacunas 
em equilíbrio 
Nº total de 
sítios atômicos 
Energia necessária para 
formação de uma lacuna 
Temperatura absoluta 
em kelvin 
Cada sítio da rede 
é um sítio potencial 
para formação da lacuna 
 Calcule o nº de lacunas em equilíbrio por m3 de Cobre a 
uma temperatura de 1000C. 
 
 Dados: 
 
 
10 
ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO DE LACUNAS 
A v 
A Cu = 63,5 g/mol 
r = 8,4 g / cm 3 
Q = 0,9 eV/átomo N = 6,02 x 1023 átomos/mol 
 N = 
N A 
A Cu 
r x 
  N v 
N 
= exp 
- Q v 
k T 
 
 
 
 
 
 
 Calcule o nº de lacunas em equilíbrio por m3 de Cobre a 
uma temperatura de 1000C. 
 
 Dados: 
 
 
 Resposta: 
 
11 
ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO DE LACUNAS 
A v 
A Cu = 63,5 g/mol 
r = 8,4 g / cm 3 
Q = 0,9 eV/átomo N = 6,02 x 1023 átomos/mol 
Para 1 m3 , N = 
N A 
A Cu 
r x x 1 m3 = 8.0 x 1028 sítios 
8,62 x 10-5 eV/átomo.K 
0.9 eV/átomo 
1273K 
  N v 
N 
= exp 
- Q v 
k T 
 
 
 
 
 
 = 2.7 x 10-4 
→ N v = (2,7 x 10
-4)(8,0 x 1028) sítios = 2,2 x 1025 lacunas/m3 
Dois resultados de impurezas (B) adicionados ao hospedeiro (A): 
 
 Solução sólida de B em A (distribuição aleatória de defeitos): 
 
 
 
 
 
 
 
 Solução sólida de B em A mais partículas de uma nova fase 
(usualmente para grandes quantidades de B): 
 
 
12 
DEFEITOS PONTUAIS - IMPUREZAS 
OU 
Solução sólida 
Substitucional 
(ex., Cu em Ni) 
Solução sólida 
Intersticial 
(ex., C em Fe) 
Os átomos do 
soluto ou átomos 
de impurezas 
tomam o lugar 
dos átomos 
hospedeiros ou os 
substituem. 
Os átomos de 
impureza 
preenchem os 
espaços vazios 
ou interstícios 
que existem entre 
os átomos 
hospedeiros. 
Nova segunda fase de partículas 
→ composição diferente 
→ normalmente estruturas diferentes. 
 Fatores que influenciam na formação de solução sólida 
substitucionais: 
→ Regra de Hume-Rothery 
 
1. Diferença de raio atômico dos dois tipos de átomos < 15% 
 Pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase 
2. Ter mesma estrutura cristalina 
3. Eletronegatividades próximas 
 Maior diferença de eletronegatividade dos átomos, maior tendência 
de formar compostos intermetálicos. 
4. Mesma ou maior valência que o hospedeiro 
 Um metal terá maior tendência de dissolver um outro metal 
 de maior valência do que um de menor valência. 
 
 
13 
IMPUREZAS SUBSTITUCIONAIS 
 
 Porcentagem em peso (%p): 
 
 
 
 
 Porcentagem atômica (%a): 
 
 
 
 
→ Conversão usando os pesos atômicos ou densidades 
14 
ESPECIFICAÇÃO DA COMPOSIÇÃO 
100x 
21
1
1
mm
m
C

=
m1 e m2 = massa dos elementos 1 e 2 
100x 
21
1'
1
nn
n
C

=
n1 = número de moles do componente 1 
 Discordâncias ou deslocações: 
 São defeitos lineares em torno do qual alguns átomos estão 
desalinhados. 
 Escorregamento entre os planos cristalinos resulta quando se 
move as discordâncias. 
 Produz uma deformação permanente (plástica). 
 Estão associadas com a cristalização do material e a sua 
deformação (maior ocorrência), podendo ser uma linha adicional 
ou a ausência de uma linha de átomos. 
 
Esquema do zinco (HC): 
 
15 
DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS 
• antes da deformação: • após ensaio de tração: 
escorregamentos 
16 
macio 10 mil x 
17 
DEFEITOS LINEARES - DISCORDÂNCIAS 
 Discordância aresta, linha ou cunha (): 
- Defeito associado com a distorção produzida no 
reticulado cristalino pela presença de um semi-
plano extra de átomos. 
- Vetores de Burgers (b) são perpendiculares à 
discordância para este tipo de defeito. 
 
 
 Discordância espiral ou hélice: 
- Defeito associado com a distorção criada no 
reticulado cristalino quando planos normalmente 
paralelos são unidos para formar uma “rampa 
helicoidal”. 
- Vetores de Burgers (b) são paralelos à 
discordância. 
Vetor de Burgers (b): expressa a magnitude e a direção da distorção da 
rede cristalina 
 Envolve um plano 
extra de átomos. 
 
 O vetor de Burgers é 
perpendicular a 
direção da linha de 
discordâncias. 
 
 Envolve zonas de 
tração e compressão. 
 
18 
DISCORDÂNCIA DE ARESTA, LINHA OU CUNHA 
19 
20 
 O movimento de discordância (durante uma deformação) 
ocorre através do pulo sucessivo de um semi-plano de 
átomos (da esquerda para a direita aqui). 
 
 As ligações durante o escorregamentosão quebradas e 
reformadas sucessivamente . 
 
21 
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIA DE ARESTA 
a 
b c 
t
t
a 
b c 
t
t
22 
 Produz distorções na rede 
23 
DISCORDÂNCIA ESPIRAL 
Vetor de Burgers b, 
paralelo à direção da 
linha de discordância 
b Linha de 
discordância 
Linha AB → linha da discordância 
- posição dos átomos acima do plano 
de escorregamento → círculos abertos 
- abaixo → círculos fechados 
24 
 Discordâncias observadas por micrografia eletrônica de 
transmissão (MET - 450x) numa liga de titânio: 
 
25 
VISUALIZAÇÃO DAS DISCORDÂNCIAS 
26 
DISCORDÂNCIAS E ESTRUTURAS CRISTALINAS 
• Escorregamentos de discordâncias 
preferidos nas direções e planos 
empacotados. 
Vista de dois 
planos 
empacotados. 
plano empacotado (de baixo) plano empacotado (de cima) 
direções empacotadas 
• Comparação entre estruturas cristalinas: 
 CFC: muitos planos e direção empacotados; 
 HC: somente um plano, e três direções; 
 CCC: nenhum 
• Amostras usadas 
em teste de tração: 
Mg (HC) 
Al (CFC) 
Planos de 
escorregamento 
preferencial 
 “Defeitos Interfaciais” são contornos que possuem duas 
dimensões e, normalmente, separam regiões dos 
materiais de diferentes estruturas cristalinas e/ou 
orientações cristalográficas. 
 
 Essas imperfeições incluem: 
 Superfícies externas 
 Defeitos de empilhamento 
 Contorno entre fases: Existem em materiais com múltiplas 
fases, através dos quais há uma mudança repentina nas 
características físicas e/ou químicas. 
 Contorno de grão 
 Contorno de macla ou twin 
 
27 
DEFEITOS PLANARES EM SÓLIDOS 
 A superfície externa é o tipo mais óbvio, ao longo do qual 
termina a estrutura do cristal. 
 
 Os átomos da superfície não estão ligados ao nº máximo 
de vizinhos mais próximos, isso implica num estado 
energético maior que no interior do cristal. 
 
28 
SUPERFÍCIE EXTERNA 
 A falha de empilhamento se encontra em metais CFC 
quando existe uma interrupção na sequencia de 
empilhamento ABCABCABC... 
 
29 
FALHA DE EMPILHAMENTO 
 Materiais policristalinos são formados por monocristais 
com diferentes orientações cristalográficas. 
 
 A fronteira entre os monocristais é uma “parede”, que 
corresponde a um defeito bidimensional (planar). 
 
 Este defeito refere-se ao contorno que separa dois 
pequenos grãos (ou cristais), com diferentes 
orientações cristalográficas, presentes num material 
policristalino. 
 
 No interior do grão todos os átomos estão arranjados 
segundo um “único modelo” e “única orientação”, 
caracterizada pela célula unitária. 
 
30 
CONTORNO DE GRÃOS 
31 
Características: 
- Empacotamento menos eficiente 
- Energia mais elevada 
- Favorece a nucleação de novas fases 
(segregação) 
- Favorece a difusão 
CONTORNO DE GRÃOS (→ ENTRE FASES) 
Contorno de 
baixo 
angulo 
Contorno de 
alto 
angulo 
 Este tipo de contorno, também denominado de “Twins” 
(cristais gêmeos), é um tipo especial de contorno de grão, 
onde existe uma simetria em “espelho” da rede cristalina. 
 
 Os átomos de um lado do contorno são “imagens” dos 
átomos do outro 
32 
CONTORNO DE MACLA 
 Defeitos em três dimensões introduzidos durante o 
processamento do material e/ou fabricação do 
componente. 
 
 Tipos de defeitos volumétricos: 
 Inclusões: Presença de impurezas estranhas. 
 Precipitados: Aglomerados de partículas com composição 
diferente da matriz (hospedeiro). 
 Porosidade: Origina-se devido a presença de gases, 
durante o processamento do material. 
 Fases: Ocorre quando o limite de solubilidade é 
ultrapassado. 
 Estrias segregacionais: Presente principalmente em 
materiais semicondutores dopados. 
 
33 
DEFEITOS VOLUMÉTRICOS OU DE MASSA 
34 
INCLUSÕES E PRECIPITADOS 
Inclusões: 
 
 
 
 
 
Precipitados: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em 
cobre de alta pureza (99,26%), 
laminado a frio e recozido a 800ºC. 
Precipitados em matriz metálica de 
Alumínio AA 3104 utilizada para a 
fabricação de latas. 
35 
POROSIDADE 
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. 
36 
SEGUNDA FASE 
Micro-estrutura composta 
por veios de grafita sobre 
uma matriz perlítica. 
Grão de perlita: Constituído 
por lamelas alternadas de 
duas fases: ferrita (Fe-α) e 
cementita (Carboneto de 
ferro). 
 Cristalitos (grãos) e contorno de grão variam 
consideravelmente de tamanho; eles podem ser bastante 
grandes. 
 Um único cristal de quartzo, ou diamante, ou Si. 
 Postes de iluminação feitos em Al e latões de lixo 
 → grãos evidentes a olho nu. 
 
 Cristalitos (grãos) podem ser bastante reduzidos (mm ou 
menor) → é necessário observação com um microscópio. 
 
→ Aula de laboratório de materiais 
 
37 
EXAME MICROSCÓPICO 
 Defeitos pontuais, lineares e planares existem em 
sólidos. 
 
 O numero e tipo de defeitos pode ser variado e 
controlado (ex. A temperatura controla a concentração 
de lacunas). 
 
 Os defeitos modificam as propriedades dos materiais 
(ex. Os contornos de grãos controlam o 
escorregamento das discordâncias dentro de um grão). 
 
 Os defeitos podem ser desejados ou indesejados (ex. 
As deslocações podem ser boas ou não dependendo 
se a deformação plástica é desejada). 
 
 
38 
CONCLUSÃO