4. imperfeicoes no arranjo cristalino

CIÊNCIA DOS MATERIAIS – (ÁREA 1 – Imperfeições no Arr anjo Cristalino) DEMAT-EE-UFRGS

4. IMPERFEIÇÕES NO 4. IMPERFEIÇÕES NO

ARRANJO CRISTALINOARRANJO CRISTALINO


4.1 INTRODUÇÃO: 4.1 INTRODUÇÃO:

4.2 DEFEITOS PONTUAIS4.2 DEFEITOS PONTUAIS

4.3 DEFEITOS LINEARES 4.3 DEFEITOS LINEARES -- DISCORDÂNCIASDISCORDÂNCIAS

4.4 DEFEITOS INTERFACIAIS4.4 DEFEITOS INTERFACIAIS

4.5 DEFEITOS VOLUMÉTRICOS4.5 DEFEITOS VOLUMÉTRICOS

IMPERFEIÇÕES NO ARRANJO IMPERFEIÇÕES NO ARRANJO CRISTALINOCRISTALINO


PolicristaisPolicristais

Estrutura policristalina

Estrutura amorfa

Quando átomos ocupam posições regulares sem se repetirem indefinidamente, mas apenas em regiões, temos uma estrutura policristalina.

Neste material policristalino tem-se um agregado de pequenos grãos, cuja estrutura interna é cristalina a direção do arranjo cristalino de um grão não apresenta relação com a direção dos seus vizinhos.

Aumentando o grau de desordem ao extremo temos o que é chamado de material amorfo. Neste caso, não há regularidade nas posições ocupadas pelos átomos.

44..11 INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO


• Para um material cristalino, quando todos os átomos ocupam posições regulares no espaço, que serepetem indefinidamente através de toda a amostra sem interrupção, o resultado é um monocristal. • Todas as células unitárias encadeiam-se da mesma maneira e têm a mesma orientação. Monocristais existem na natureza, mas eles podem ser também produzidos artificialmente. • Monocristais cerâmicos têm se tornado extremamente importantes em muitas das nossas modernas tecnologias, em particular micro circuitos eletrônicos.• Se as extremidades de um monocristal crescerem sem constrangimento externo, o cristal assumirá a forma geométrica tendo faces planas, tal como em algumas das pedras gemas.

MonocristaisMonocristais

Nano-monocristalde magnetita (Fe3O4) (MET)

Escoamento em um monocristal

de Zinco


• Todos os materiais apresentam imperfeições no arranjo de seus átomos, que

reflete no comportamento do mesmo.

• Controlar as imperfeições, significa obter materiais com diferentes

propriedades e para novas aplicações.

• Podem existir diferentes tipos de imperfeições na rede:

i) vibrações da rede: quantizadas por fônons

ii) defeitos pontuais: vacâncias, átomos intersticiais, átomos substitucionais,

defeitos Frenkel e Schottky;

iii) defeitos lineares: discordâncias;

iv) defeitos interfaciais, bidimensionais ou planares: superfícies livres, contornos

de grão, contornos de macla, interfaces (falhas de empilhamento, contorno de

fases, mudança de composição química...);

v) defeitos volumétricos: inclusões, partículas, estruturas amorfas, trincas,

poros...


Defeitos possíveis em um material a partir da dimens ão em que ocorrem na estrutura


Podem ser classificados quanto a NATUREZA

� Vacância

� Átomo intruso (intersticial ou substitucional)

� Frenkel

� Schottky

44..22 DEFEITOSDEFEITOS PONTUAISPONTUAIS


⇒⇒⇒⇒ Também denominado de lacuna

⇒⇒⇒⇒ É a falta de um átomo na rede cristalina

⇒⇒⇒⇒ Pode resultar do empacotamento

imperfeito na solidificação inicial,

ou decorrer de vibrações térmicas

dos átomos em temperaturas elevadas

4.2.1 VACÂNCIAS


⇒⇒⇒⇒O número de vacâncias varia com a temperatura

onde:

nv : n° de vacâncias

n: n° de átomos por célula na rede

Q: energia necessária para produzir a vacância (J/mol)

R: cte dos gases (8,31 J/molK ou 8,62.10-5 eV/átomoK)

T: temperatura em K

nv = n exp (-Q/RT)

4.2.1 VACÂNCIAS


Exemplo: Calcule o n° de vacâncias por centímetro cúbico e o n° de vacâncias por átomo de Cu (CFC), quando o cobre está (a) a temperatura ambiente, (b) 1084°C. Aproximadamente 83600 J/mol são requeridos para produzir uma vacância no cobre.

Dados:

aCu = 3,6151 x 10-8 cm

Q = 83600 J/mol

R = 8,31J/mol K

CFC = 4 átomos por célula

4.2.1 VACÂNCIAS


nv = n exp (-Q/RT)

Exemplo - Solução

O número de átomos de Cu por parâmetro da rede por cm3 é:

n = n° átomos/célula = no át/cel

volume da célula unitária (aCu)3

n = 4 átomos/célula = 8,47 x 1022 átomos Cu/cm3

(3,6151 x 10-8)3

nv a Tamb e a 1084°C ?

4.2.1 VACÂNCIAS


nv = n exp (-Q/RT)

Exemplo - Solução

(a) Tambiente :

T = 25 + 273 = 298 K

nv = (8,47 x 1022) exp [-83600/(8,31 x 298)]nv = 1,847 x 108 vacâncias/cm 3

nv /n= 1,847 x 108 vacâncias/cm 3

8,47 x 1022 átomos de Cu/cm 3

nv /n= 2,18 x 10 -15 vacâncias/ átomos de Cu

4.2.1 VACÂNCIAS


Exemplo - Solução

nv = n exp (-Q/RT)(b) T = 1084°C:

T = 1084 + 273 = 1357 K

nv = (8,47 x 1022) exp [-83600/(8,31 x 1357)]nv = 5,11 x 1019 vacâncias/cm 3

nv /n= 5,11 x 1019 vacâncias/cm 3

8,47 x 1022 átomos de Cu/cm 3

nv /n= 6,03 x 10 -4 vacâncias/ átomos de Cu

4.2.1 VACÂNCIAS


⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒Quando um átomo fica comprimido por uma estrutura cristalina ocupando um sítio intersticial, principalmente se esta tiver um baixo fator de empacotamento;

⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ Conseqüência, distorção da rede.

4.2.2 ÁTOMOS INTERSTICIAIS


⇒⇒⇒⇒Quando um átomo é deslocado de sua posição original por outro, e conforme o tamanho, pode

(a) aproximar os átomos da rede

⇒⇒⇒⇒ Conseqüência, distorção da rede e mudança de propriedades mecânicas, físicas e químicas.

(a)

Átomo substitucional pequeno

4.2.3 ÁTOMOS SUBSTITUCIONAIS


⇒⇒⇒⇒Quando um átomo é deslocado de sua posição original por outro, e conforme o tamanho, pode

(b) separar os átomos da rede

⇒⇒⇒⇒ Conseqüência, distorção da rede e alteração nas propriedades mecânicas, físicas e químicas.

(b)

Átomo substitucional grande

4.2.4 ÁTOMOS SUBSTITUCIONAIS


⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒Ocorre em compostos iônicos

⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒Quando um íon (cátion) desloca-se de sua posição no reticulado (formando uma lacuna) para uma posição intersticial

4.2.4 DEFEITO DE FRENKEL


⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ Somente para compostos iônicos

⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒Ocorre para compostos que devem manter o equilíbrio de cargas opostas

⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒Quando ocorre lacuna de um par de íons (cátion e ânion).

4.2.5 DEFEITO DE SCHOTTKY


• Discordância defeito linear ou unidimensional ao redor de alguns átomos desalinhados associadas a estrutura cristalina e a deformação plástica

– origem: térmica (solidificação) e mecânica

• Tipo de defeito responsável por deformaçãofalha rompimento dos materiais

• Quantidade e movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau deformação (conformação mecânica)

por tratamentos térmicos

44..33 DEFEITOSDEFEITOS LINEARESLINEARES


As discordâncias podem ser: - Cunha (aresta)

- Hélice (parafuso ou espiral)

- Mista

As discordâncias geram um vetor de Burgers (b→):

- Fornece a magnitude e a direção da distorção da rede

- Corresponde à distância de deslocamento dos átomos

ao redor da discordância

DefeitosDefeitos lineareslineares


Vista superior da discordância

Plano extra

Descrita como a aresta de um plano atômico extra na estrutura cristalina

4.3.1 DISCORDÂNCIA EM CUNHA


⇒ Ilustrada pelo talhamento de um cristal perfeito, deslocando a rede de um espaçamento atômico; ⇒ Zonas de tração e compressão acompanham uma discordância em cunha aumentando a energia ao longo da discordância;⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒O vetor de Burgers é perpendicular à discordância em cunha.



Imagem MET em campo claro – discordâncias (“fios” presentes na micrografia)



⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ Produz distorção na rede pois tensões de cisalhamento estão associadas aos átomos adjacentes;

⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ O vetor de Burgers é paralelo à direção da linha de discordância.

Ocorre quando o empilhamento atômico ocorre na forma de mola.

Há o deslocamento de uma distância atômica entre um plano e outro

4.3.2 DISCORDÂNCIA HELICOIDAL


⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ Ilustrada pelo corte parcial de um cristal perfeito, deslocando a rede de um espaçamento atômico



Imagem MET Al AA6056 – discordâncias e dispersóides (partículas de segunda fase). Aumento: (a) e (b) 66.000X

e (c) 50.000X

(a)

(b)

(c)



Discordância em cunhaDiscordância

em espiral

Em um cristal pode ocorrer os dois tipos de discordância. Neste caso, as duas discordâncias apresentam uma única linha de discordância.

Visualização de ramificações e parede dediscordâncias (a tendência é aliviar a tensão

local através da formação de subgrãos)

Imagem MET Al AA6056.

Aumento: 38.000X

4.3.3 DISCORDÂNCIA MISTA


Os defeitos interfaciais podem ser:

� Superfícies externas;

� Contornos de grão;

� Contornos de macla

� Interfaces (falhas de empilhamento dos átomos, contornos de fase em materiais multifásicos, superfícies das cadeias de polímeros dobradas e outros).

44..44 DEFEITOSDEFEITOS INTERFACIAISINTERFACIAIS


A superfície externa (contornos ) - é considerada como uma imperfeição visto que ela representa o contorno ao longo do qual a estrutura do cristal termina. Átomos da superfície não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais próximos e estão, portanto, num estado de maior energia do que os átomos nas posições do interior. Para reduzir esta energia, materiais tendem a minimizar, se for possível, a área de superfície total. Por exemplo, líquidos assumem uma forma tendo uma área mínima - as gotículas se tornam esféricas. Naturalmente, istonão é possível com sólidos, que são mecanicamente rígidos.

4.4.1 SUPERFÍCIES EXTERNAS


A microestrutura de metais, cerâmicos, alguns polímeros e outros materiais sólidos policristalinos consiste de muitos grãos.Grão: porção de material onde o arranjo cristalino é idêntico.Contorno de grão (CG): fronteira entre os grãos com uma largura de apenas alguns átomos. Separa grãos ou cristais em que possuem orientações cristalográficas diferentes. Os átomos estão ligados de maneira menos regular no CG (quimicamente mais reativos). A magnitude da energia interfacial depende do grau de desorientação, sendo ↑ para CG alto ângulo.A energia interfacial é menor em materiais de grãos grosseiros, pois a área total de CG é menor do que em materiais com grão mais fino.

CG↓<

CG↑<

4.4.2 CONTORNOS DE GRÃÃO


Al AA6056

MO 200x

MEV 1000x



� As maclas são cristais complexos, formados a partir de um agrupamento de dois cristais gêmeos ou dois semi-cristais. Ou seja, existe uma simetria, em espelho, da rede cristalina.

� Resultam de deslocamentos atômicos produzidos a partir de forças de cisalhamento (maclas de deformação) e também durante tratamentos térmicos de recozimento (maclas de recozimento).

� Ocorre em um plano definido e direção definidos, que dependem da estrutura cristalina. Ex. maclas de recozimento (CFC) e maclas de deformação (CCC e HC). Linhas de maclas do Mg

deformado plasticamente.

4.4.3 PLANOS DE MACLA


Os defeitos volumétricos são defeitos em nível de três dimensões. Como defeitos volumétricos, temos:� Inclusões, Trincas, Poros resultantes de processo de soldagem e outros

Vidro borossilicato (SiO2 + Na2O + Al2O3 + B2O3) com inclusões de Mo, Ti, Ni, Fe, Al e

W (mais claros na fotomicrografia)

MEV Al AA6056 - inclusões de fabricação e outras partículas de segunda fase. Aumento: 5000X

44..55 DEFEITOSDEFEITOS VOLUMÉTRICOSVOLUMÉTRICOS


São considerados impurezas de fabricação ou partículas de segunda fase da ordem de alguns µµµµm (10-6m). Estas partículas contém, geralmente, metais e não-metais de composição

diferente da liga original.

MEV Al AA6056 TMAZ: CG, inclusões e partículas de segunda fase. Aumento: 1000X

Amostra de meteorito (Vaca Muerta) composto de silicatos e metal. As inclusões são ricas em Fe e Ni. http://www.meteorites.cl/.../vaca-muerta-metal-eng.htm

4.5.1 INCLUSÕEÕES


São introduzidos durante as etapas de processamento, fabricação e em serviço (normalmente indevido) .

Trinca superficial de fadiga. (a) roda dentada fraturada, (b) detalhe da engrenagem.

a

b

Porosidade em liga Al ocasionada por solda a laser.

4.5.2 TRINCAS E POROS


Átomo Intersticial

Vac

ânc

ia

Substitucional Intersticial Discordância

Contorno de Grão de baixo angulo

Maclas

Vazios

Contorno de Grão

Zona de átomos

estranhosContorno de

fases

PrecipitadoInclusão

Micro trincas Poros

4. imperfeicoes no arranjo cristalino

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