4- imperfeiÇÕes cristalinas

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1 4- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS ASSUNTO - Defeitos pontuais - Defeitos de linha (discordâncias) - Defeitos de interface (grão e maclas) - Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)

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ASSUNTO. 4- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS. - Defeitos pontuais - Defeitos de linha (discordâncias) - Defeitos de interface (grão e maclas) - Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados). O QUE É UM DEFEITO?. - PowerPoint PPT Presentation

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4- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

ASSUNTO

- Defeitos pontuais

- Defeitos de linha (discordâncias)

-   Defeitos de interface (grão e maclas)

-  Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)

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RS O QUE É UM DEFEITO?

É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal.

Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomosno tipo de átomos

O tipo e o número de defeitos dependem do

material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é

processado.

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IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS

Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são imperfeitos

Menos de 1 em 1 milhão

Menos sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa

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RS IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS

- IMPORTÂNCIA-

DEFEITOS

INTRODUÇÃOSELETIVA

CONTROLE DO NÚMERO

ARRANJO

Permite desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades

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RS IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS

Exemplos de efeitos da presença de imperfeições

o O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material

o A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento)

o Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa.

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IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS

São classificados de acordo com sua geometria ou dimensões

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IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS

Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas

Defeitos lineares uma dimensão

Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimensões

Defeitos volumétricos três dimensões

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1- DEFEITOS PONTUAIS

Vacâncias ou vazios

Átomos Intersticiais

Schottky

FrenkelOcorrem em sólidos iônicos

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VACÂNCIAS OU VAZIOS

Envolve a falta de um átomo

São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais)

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VACÂNCIAS OU VAZIOSO número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura

Nv= N exp (-Qv/KT)Nv= número de vacânciasN= número total de sítios atômicosQv= energia requerida para formação de vacânciasK= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou

8,62x10-5 eV/ at.K

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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 interstícioA formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância

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INTERSTICIAIS

Átomo intersticial pequenoÁtomo intersticial grande

Gera maior distorção na rede

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FRENKEL

Ocorre em sólidos iônicos

Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício

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SCHOTTKY

Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas

Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion

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CONSIDERAÇÕES GERAIS

Vazios e Schottky favorecem a difusão

Estruturas de empacotamento fechado tem um menor número intersticiais e Frenkel que de vazios e Schottky

Porque é necessária energia adicional para forçar os átomos para novas posições

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IMPUREZAS NOS SÓLIDOS

Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes

99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3

A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais

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LIGAS METÁLICAS

As impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade:

- aumentar a resistência mecânica- aumentar a resistência à corrosão- Aumentar a condutividade elétrica- Etc.

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RS A ADIÇÃO DE IMPUREZAS

PODE FORMARSoluções sólidas < limite de

solubilidadeSegunda fase > limite de

solubilidade

A solubilidade depende :TemperaturaTipo de impurezaConcentração da impureza

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Termos usados

Elemento de liga ou Impurezasoluto (< quantidade)

Matriz ou solvente Hospedeiro (>quantidade)

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SOLUÇÕES SÓLIDAS

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

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SOLUÇÕES SÓLIDAS

Nas soluções sólidas as impurezas podem ser:

- Intersticial

- Substitucional Ordenada

Desordenada

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RS SOLUÇÕES SÓLIDAS

INTERSTICIAISOs 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

INTERSTICIAL

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RS EXEMPLO DE SOLUÇÃO

SÓLIDA INTERSTICIALFe + 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

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RS Solubilidade do Carbono no

FerroO carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura próxima da transformação alotrópica?

ccc

cfc

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RS TIPOS DE SOLUÇÕES SÓLIDAS

SUBSTITUCIONAIS

SUBSTITUCIONAL ORDENADA SUBSTITUCIONAL

DESORDENADA

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RS 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 faseEstrutura cristalina mesmaEletronegatividade próximasValência mesma ou maior que a do

hospedeiro

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RS EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA

SUBSTICIONAL

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

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RS 2- DEFEITOS LINEARES:

DISCORDÂNCIASAs 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

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RS 2- DEFEITOS LINEARES:

DISCORDÂNCIASPodem ser:

- Cunha

- Hélice

- Mista

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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

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RS 2.1- DISCORDÂNCIA EM

CUNHAEnvolve um SEMI-plano extra de átomosO vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordânciaEnvolve zonas de tração e compressão

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RS DISCORDÂNCIAS EM

CUNHA

Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ

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RS DISCORDÂNCIAS EM

CUNHA

Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ

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RS 2.2- DISCORDANCIA EM

HÉLICE

Produz distorção na rede

O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância

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DISCORDANCIA EM HÉLICE

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RS 2.2- DISCORDANCIA EM

HÉLICE

DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS

SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENT SUPERFICIAIS. (Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).

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RS OBSERVAÇÃO DAS

DISCORDANCIAS

Diretamente TEM ou HRTEM

Indiretamente SEM e microscopia óptica (após ataque

químico seletivo)

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DISCORDÂNCIAS NO TEM

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RS DISCORDÂNCIAS NO

HRTEM

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RS DISCORDÂNCIAS NO

HRTEM

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RS FIGURA DE ATAQUE PRODUZIDA

NA DISCORDÂNCIA VISTA NO SEM

Plano (111) do InSbPlano (111) do GaSb

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CONSIDERAÇÕES GERAIS

A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicasImpurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas

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CONSIDERAÇÕES GERAIS

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 vacânciasAs discordâncias influem nos processos de difusãoAs discordâncias contribuem para a deformação plástica

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RS 3- DEFEITOS PLANOS

OU INTERFACIAIS

Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas

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RS 3- DEFEITOS PLANOS

OU INTERFACIAIS

Superfície externa

Contorno de grão

Fronteiras entre fases

Maclas ou Twins

Defeitos de empilhamento

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RS 3.1- DEFEITOS NA

SUPERFÍCIE EXTERNA É o mais óbvioNa superfície os átomos não estão

completamente ligados Então o estado energia dos átomos na

superfície é maior que no interior do cristalOs materiais tendem a minimizar está

energiaA energia superficial é expressa em erg/cm2

ou J/m2)

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3.2- 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

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Monocristal e Policristal

MonocristalMonocristal: Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, que contém apenas um grão

PolicristalPolicristal: Material com mais de uma orientação cristalina, ou seja, que contém vários grãos

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RS LINGOTE DE ALUMÍNIO

POLICRISTALINO

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GRÃO

A forma do grão é controladaA forma do grão é controlada:

- pela presença dos grãos circunvizinhos

O tamanho de grão é controladoO tamanho de grão é controlado

- Composição química

- Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação

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FORMAÇÃO DOS GRÃOS

A forma do grão é controladaA forma do grão é controlada:- pela presença dos grãos circunvizinhos

O tamanho de grão é O tamanho de grão é controladocontrolado- Composição- Taxa de cristalização ou solidificação

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RS CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE

CONTORNO DE GRÃO

Há um empacotamento ATÔMICO menos eficienteHá uma energia mais elevadaFavorece a nucleação de novas fases (segregação)favorece a difusãoO contorno de grão ancora o movimento das discordâncias

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RS 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

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RS CONTORNO DE PEQUENO

ÂNGULOOcorre quando a desorientação dos cristais é pequena

É formado pelo alinhamento de discordâncias

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RS OBSERVAÇÃO DOS GRÃOS

E CONTORNOS DE GRÃO

Por microscopia (ÓTICA OU ELETRÔNICA)

utiliza ataque químico específico para cada material

O contorno geralmente é mais reativo

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RS GRÃOS VISTOS NO

MICROSCÓPIO ÓTICO

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RS

TAMANHO DE GRÃO

O tamanho de grão influi nas propriedades dos materiaisPara a determinação do tamanho de grão utiliza-se cartas padrões

ASTMou

ABNT

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RS DETERMINAÇÃO DO

TAMANHO DE GRÃO (ASTM)Tamanho: 1-10Aumento: 100 X

N= 2 N= 2 n-1n-1

NN= número médio de grãos por polegada quadrada

nn= tamanho de grão

Quanto maior o número menor o tamanho de grão da amostra

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RS Existem vários softwares comerciais

de simulação e determinação do tamanho de grão

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RS CRESCIMENTO DO GRÃO

com a temperatura

Em geral, por questões termodinâmicas (energia) os grãos maiores crescem em

detrimento dos menores

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RS 3.3- TWINS

MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS

É um tipo especial de contorno de grãoOs átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contornoA macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina

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RS ORIGENS DOS TWINS

MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS

O seu aparecimento O seu aparecimento está geralmente está geralmente associado com A associado com A PRESENÇA DE:PRESENÇA DE:

- tensões térmicas e mecânicas

- impurezas

- Etc.

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RS 4- IMPERFEIÇÕES

VOLUMÉTRICAS

São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente

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RS 4- IMPERFEIÇÕES

VOLUMÉTRICAS

- InclusõesInclusões Impurezas estranhas

- PrecipitadosPrecipitados são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz

- FasesFases forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado)

- PorosidadePorosidade origina-se devido a presença ou formação de gases

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InclusõesInclusões

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

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InclusõesInclusões

SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO.

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RS PorosidadePorosidade

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.

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

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RS EXEMPLO DE PARTÍCULAS

DE SEGUNDA FASE

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).

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microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg mostrando diversas fases precipitadas

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RSMicrografia da Liga Micrografia da Liga

Al-3,5%Cu no Estado Bruto de FusãoAl-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão