capítulo iii.1 defeitos (imperfeiÇÕes) nos sÓlidos …

Capítulo III.1Capítulo III.1

DEFEITOS (IMPERFEIÇÕES) NOS SÓLIDOS CRISTALINOSDEFEITOS (IMPERFEIÇÕES) NOS SÓLIDOS CRISTALINOSDEFEITOS (IMPERFEIÇÕES) NOS SÓLIDOS CRISTALINOSDEFEITOS (IMPERFEIÇÕES) NOS SÓLIDOS CRISTALINOS

ESTADOS EXCITADOS: fonões, electrões livres …

DEFEITOS TRANSIENTES f tõ l t õ t õDEFEITOS TRANSIENTES: fotões, electrões, neutrões …

IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAISIMPERFEIÇÕES ESTRUTURAISIMPERFEIÇÕES ESTRUTURAISIMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS‐‐ IMPORTÂNCIAIMPORTÂNCIA‐‐

DEFEITOSDEFEITOS

INTRODUÇÃOSELECTIVA

CONTROLE DO NÚMERO

ARRANJO

Permite desenhar e criar novos materiais 

com a combinação desejada de propriedadescom a combinação desejada de propriedades

Exemplos de efeitos da presença deExemplos de efeitos da presença de imperfeições

O processo de dopagem em semicondutores pretende criar imperfeições de O processo de dopagem em semicondutores pretende criar imperfeições de

modo a aumentar a condutividade eléctrica do material

A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições

que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como

encruamento)encruamento)

Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo deslocações) apresentam

resistência maior que 70GPa enquanto o ferro comum rompe se aresistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe‐se a

aproximadamente a 270MPa.

DEFEITOS ESTÁTICOS

PONTUAIS LINEARES SUPERFICIAISSUPERFICIAIS VOLUMÉTRICOS

DEFEITOS PONTUAISDEFEITOS PONTUAIS

• Átomo intersticial• Átomo substitucional • Lacuna

Produz uma distorçãoçno reticulado, já que oátomo é geralmentemaior do que ovolume do interstício

Átomo intersticial pequenoÁtomo intersticial grande

Átomo intersticial pequeno Gera maior distorção na rede

Quatrolacunas

PAR DE FRENKELPAR DE FRENKEL Ocorre quando um ião saida sua posição normal eda sua posição normal evai para um interstício

PAR DE SCHOTTKYPAR DE SCHOTTKY Presente em compostosque têm de manter obalanço de cargas.Envolve a falta de umanião e/ou um catião.

CONSIDERAÇÕES GERAISCONSIDERAÇÕES GERAIS

L d S h k f dif ã Lacunas e pares de Schottky favorecem a difusão.

Estruturas de empacotamento máximo têm um menor númerode defeitos intersticiais e pares de Frenkel do que de lacunas ede defeitos intersticiais e pares de Frenkel do que de lacunas epares de Schottky.

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

IMPUREZAS NOS SÓLIDOSIMPUREZAS NOS SÓLIDOS

• Um metal considerado puro tem sempre impurezas (átomosestranhos) presentes:) p

99,9999% = 1022 ‐ 1023 impurezas por cm3

• A presença de impurezas promove a formação de defeitosA presença de impurezas promove a formação de defeitospontuais.

LIGAS METÁLICASLIGAS METÁLICASAs impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadasAs impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade de aumentar:‐ a resistência mecânica‐ a resistência à corrosão‐ a condutividade elétrica‐ etc.

A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR:A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR:ÇÇ

•• Soluções sólidasSoluções sólidas <  limite de solubilidadeS d fS d f > li it d l bilid d•• Segunda faseSegunda fase >  limite de solubilidade

A solubilidade depende:A solubilidade depende: Temperatura Tipo de impurezaTipo de impureza Concentração da impureza          

SOLUÇÕES SÓLIDASSOLUÇÕES SÓLIDAS

Nas soluções sólidas as impurezas podem ser:Nas soluções sólidas as impurezas podem ser:

‐ Intersticial

S b i i l OrdenadaOrdenadaINTERSTICIAL

‐ Substitucional OrdenadaOrdenada

DesordenadaDesordenada

((ii) SOLUÇÕES ) SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAISSÓLIDAS INTERSTICIAIS

Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam osOs átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam osinterstícios.

Ocorre quando a impureza apresenta raio atómico bem menor doOcorre quando a impureza apresenta raio atómico bem menor doque o hospedeiro ou matriz.

Como os materiais metálicos tem geralmente factor degempacotamento alto as posições intersticiais são relativamentepequenas.

Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nosinterstícios

EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIALEXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL

Fe + Fe + CC solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 910 oC (Fe, CFC) O C tem raio atómico bastante pequeno comparado com o raio atómico do Fe

ÅrC= 0,071 nm= 0,71 Å

rFe= 0,124 nm= 1,24 Å

(ii) SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS(ii) SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS

SUBSTITUCIONAL ORDENADA

SUBSTITUCIONAL DESORDENADA

SOLUÇÕESSOLUÇÕESSOLUÇÕESSOLUÇÕESSÓLIDASSÓLIDAS

(desordenadas)(desordenadas)

Lacunas em cristais iónicosLacunas em cristais iónicos

DIFUSÃO DIFUSÃO –– sujeita às leis de sujeita às leis de FickFick

DEFEITOS LINEARESDEFEITOS LINEARESDESLOCAÇÕESDESLOCAÇÕES

em cunhaem cunha

VECTOR DE BURGERVECTOR DE BURGER

ÇÇhelicoidalhelicoidal

VECTOR DE BURGER VECTOR DE BURGER  Dá a grandeza e a direção da distorção da rede

Corresponde à distância do deslocamento dos átomos ao redor da deslocação

((ii) DESLOCAÇÃO EM CUNHA) DESLOCAÇÃO EM CUNHA

Envolve um semi‐plano extra deátomos.

O vector de Burger é perpendicular àdireção da linha da deslocação.

Envolve zonas de tracção e compressão.

DESLOCAÇÃO EM DESLOCAÇÃO EM 

CUNHACUNHACUNHACUNHA

Plano de átomos extraPlano de átomos extra

(ii) DESLOCAÇÃO HELICOIDAL(ii) DESLOCAÇÃO HELICOIDAL

Produz distorção na rede.

( ) Ç( ) Ç

ç

O vector de Burger é paralelo à direção da linha da deslocação.

Propagação de uma deslocação em cunha ao longo do cristalPropagação de uma deslocação em cunha ao longo do cristal

degrau

Movimento de deslocações Movimento de deslocações 

DEFEITOS SUPERFICIAISDEFEITOS SUPERFICIAIS

Envolvem fronteiras (defeitos a duas dimensões) e normalmente

separam regiões dos materiais com estruturas cristalinas ou

orientações cristalográficas diferentes.

• Superfície externa

• Contorno de grão• Contorno de grão

• Fronteiras entre fases

• Maclas ou Twins

D f it d ilh t• Defeitos de empilhamento

Normalmente uma amostra de um material cristalino não é constituída por um único cristal mas por vários  GRÃOSp p

– Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente.

i l ãum cristal = um grão

– No interior de cada grão todos os átomos estão num arranjo regular e periódico,caracterizado pela célula unitária.p

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

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

LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINOPOLICRISTALINO

FORMAÇÃO DOS GRÃOSFORMAÇÃO DOS GRÃOS

AA ff dd ãã ééAA formaforma dodo grãogrão éécontroladacontrolada:‐ Pela presença dosgrãos circunvizinhos

OO tamanhotamanho dede grãogrão éécontroladocontrolado‐ Composição‐ Taxa de cristalizaçãoTaxa de cristalizaçãoou solidificação

Há um empacotamento ATÓMICO menos eficiente. Há uma energia mais elevada Há uma energia mais elevada. Favorece a nucleação de novas fases (segregação). Favorece a difusão Favorece a difusão. O contorno de grão trava o movimento das deslocações.

FRONTEIRASFRONTEIRAS

DEDE

GRÃOGRÃO

MACLASMACLAS

É• É um tipo especial de contorno de grão.• Os átomos de um lado do contorno são

imagens especulares dos átomos dooutro lado do contorno.

• A macla ocorre num plano definido enuma direção específica, dependendo daç p pestrutura cristalina.

FALHAS DE EMPACOTAMENTOFALHAS DE EMPACOTAMENTO

“Stacking fault”“Stacking fault”

DEFEITOS VOLUMÉTRICOSDEFEITOS VOLUMÉTRICOS

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

‐ InclusõesInclusões impurezas estranhas

‐‐ PrecipitadosPrecipitados são aglomerados de partículas cujaPrecipitadosPrecipitados são aglomerados de partículas cujacomposição difere da matriz

FasesFases formam se devido à presença de impurezas ou‐ FasesFases formam‐se devido à presença de impurezas ouelementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade éultrapassado)p )

‐ PorosidadePorosidade origina‐se devido a presença ou formação degasesg

PorosidadePorosidadeAs figuras abaixo apresentam a superfície do ferro puro durante o seuAs figuras abaixo apresentam a superfície do ferro puro durante o seuprocessamento por metalurgia de pó. Nota‐se que, embora a sinterizaçãotenha diminuído a quantidade de poros bem como melhorado a suaforma (os poros estão mais arredondados) ainda permanece umaforma (os poros estão mais arredondados), ainda permanece umaporosidade residual.

COMPACTADO DE PÓ DE FERRO,COMPACTAÇÃO UNIAXIAL EMMATRIZ DE

COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO 

A 1150oC, POR 120min EM ATMOSFERA UNIAXIAL EM MATRIZ DE DUPLO EFEITO, A 550 MPa 

DE HIDROGÊNIO

PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE PARTÍCULAS DE SEGUNDA FASE 

A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMAMATRIZ 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).

InclusõesInclusões

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

PorosidadePorosidadePorosidadePorosidade

Precipitado Precipitado 

MULTIPLICAÇÃO DE DESLOCAÇÕESMULTIPLICAÇÃO DE DESLOCAÇÕES