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CIÊNCIAS DOS MATERIAIS

Capítulo IIIDesordem atômica dos materiais

Prof. Maurício S. de Araújo Faculdade Católica Salesiano

Vitória - ES

Uma imagem gerada por MEV mostrando um plano (111) para silício. A flecha aponta a localização onde um átomo de silício foi removido usando uma sonda

de tungstênio.

1. INTRODUÇÃO

• Até aqui foi suposto que existe uma ordem perfeita que rege todos os materiais cristalinos numa escala atômica.

• Entretanto tal sólido idealizado não existe: todos sólidos contêm um grande número de defeitos ou imperfeições.

1. INTRODUÇÃO

• Muitas das propriedades dos materiais são profundamente sensíveis a desvios a partir da perfeição cristalina; a influência não é sempre adversa e às vezes características específicas são deliberadamente conferidas pela introdução de controladas quantidades ou números de defeitos particulares.

1. INTRODUÇÃO

• Por “defeito cristalino” entende-se uma irregularidade da rede tendo uma ou mais de suas dimensões da ordem de um diâmetro atômico.

• A classificação das imperfeições cristalinas é freqüentemente feita de acordo com a geometria ou dimensionalidade do defeito.

1. INTRODUÇÃO

• Diferentes imperfeições serão discutidas neste capítulo, tais como:• Defeitos de ponto;• Defeitos lineares (ou uni-dimensionais);• Defeitos interfaciais (ou de contornos) e• Impurezas em sólidos.

2. DEFEITOS DE PONTO

• Defeitos de ponto são aqueles associados com uma ou duas posições atômicas.

• Os tipos mais comuns são:• Vacâncias e auto-intersticiais;• Impurezas em sólidos e• Soluções sólidas.

2.1. Vacâncias e auto-intersticiais

• O mais simples dos defeitos de pontos é uma vacância (ou sítio vazio da rede), isto é, a falta um átomo na rede em uma posição que deveria estar ocupada.

• Vacâncias são formadas durante a solidificação e também como um resultado de vibrações atômicas, que causam o deslocamento de átomos a partir de seus sítios normais na rede.

2.1. Vacâncias e auto-intersticiais

• Um átomo auto-intersticial de um cristal é o átomo que foi comprimido (empurrado) para dentro de um sítio intersticial, um pequeno espaço vazio que, sob condições normais, não deveria ser ocupado.

• Em metais, um átomo auto-intersticial introduz grandes distorções na rede circundante, porque o átomo é maior do que a posição intersticial em que está situado.

2.1. Vacâncias e auto-intersticiais

• Conseqüentemente, a formação deste defeito não é provável, e ele existe em concentrações muito pequenas, que são significativamente menores do que aquelas para as vacâncias.

2.1. Vacâncias e auto-intersticiais

Representações bidimensionais de uma vacância e de um átomo auto-intersticial.

• Não é possível a existência de um metal puro, composto apenas de um único tipo de átomo.

• Impurezas atômicas (ou átomos estranhos) estarão sempre presentes, sendo que alguns existirão como defeitos de ponto cristalinos.

2.2. Impurezas em sólidos

• De fato, mesmo com técnicas relativamente sofisticadas é difícil refinar metais até uma pureza que exceda 99,9999%.

• Neste nível, da ordem de 1022 a 1023 átomos de impurezas estarão presentes em um metro cúbico de material.

2.2. Impurezas em sólidos

2.2. Impurezas em sólidos• Muitos metais comuns não são altamente puros, ao

contrário, eles são ligas, nas quais átomos impurezas foram adicionados intencionalmente para conferir características específicas aos materiais.

• São adicionados elementos de liga em metais para melhorar sua resistência mecânica e à corrosão.

• Por exemplo, a chamada prata de lei é uma liga constituída de 92,5% de prata e 7,5% de cobre.

• Em ambientes normais a prata pura é altamente resistente à corrosão, mas é também muito macia.

2.2. Impurezas em sólidos

• A constituição da liga com cobre melhora significativamente a resistência mecânica, sem depreciar apreciavelmente a sua resistência à corrosão.

• No que se refere a ligas, soluto e solvente são termos que são comumente empregados.

2.2. Impurezas em sólidos

• O solvente representa o elemento ou composto que está presente na máxima quantidade (denominados átomos hospedeiros).

• Já o soluto é o elemento ou composto presente numa menor concentração.

2.2. Impurezas em sólidos

2.3. Soluções sólidas

• Uma solução sólida se forma quando átomos solutos são adicionados ao material hospedeiro e a estrutura cristalina é mantida (nenhuma estrutura nova é formada).

• Soluções sólidas são encontradas em dois tipos: substitucionais e intersticiais.

2.3. Soluções sólidas

• Para soluções sólidas substitucionais, os átomos de soluto (ou de impureza) substituem os átomos hospedeiros na rede.

• Um exemplo de uma solução sólida substitucional é encontrada para cobre e níquel (estes dois elementos são completamente solúveis entre si em todas as proporções).

2.3. Soluções sólidas

• Para soluções sólidas intersticiais, átomos de impurezas preencherão os vazios ou interstícios na rede entre os átomos hospedeiros.

• Carbono forma uma solução sólida intersticial quando adicionado ao ferro (a concentração máxima de carbono é de cerca de 2%).

2.3. Soluções sólidas

Representações esquemáticas bidimensionais de soluções sólidas substitucionais e intersticiais

3. DEFEITOS LINEARES

• Uma discordância é um defeito linear (ou unidimensional) ao redor de alguns átomos desalinhados.

• Um tipo de discordância é apresentado na figura a seguir; uma porção extra de um plano de átomos, ou meio plano, cuja aresta termina dentro do cristal.

3. DEFEITOS LINEARES

As posições dos átomos ao redor de uma discordância em cunha

3. DEFEITOS LINEARES• Este tipo de discordância é denominada

discordância em cunha; ela é um defeito linear que se centra ao redor da linha que é definida ao longo da extremidade do meio- plano extra de átomos.

• A linha de discordância para a discordância em cunha mostrada é perpendicular ao plano da página.

3. DEFEITOS LINEARES

• Dentro da região ao redor da discordância em cunha existe uma distorção localizada da rede.

• Os átomos acima da linha de discordância estão espremidos juntos e aqueles abaixo da discordância se encontra puxados para um longe do outro.

3. DEFEITOS LINEARES

• A magnitude desta distorção decresce com a distância a partir da linha de discordância; em posições bem distantes, a rede cristalina é virtualmente perfeita.

• Outro tipo de discordância, denominada discordância em hélice, que pode ser pensada como sendo formada por uma tensão cisalhante aplicada na rede.

(a) discordância em hélice dentro de um cristal. (b) discordância de (a) vista de cima. A linha de discordância se estende ao longo da linha AB. Posições dos átomos acima do

plano de escorregamento são designadas por círculos vazios, aquelas abaixo do plano de escorregamento por círculos cheios.

3. DEFEITOS LINEARES

(a) Discordância em cunha positiva. (b) Discordância em cunha negativa. (c) Discordância em hélice à direita. (d) Discordância em hélice à esquerda.

3. DEFEITOS LINEARES

Uma discordância que possui uma orientação em cunha pode mudar para hélice em outra orientação

3. DEFEITOS LINEARES

• A magnitude e direção da distorção da rede associada com a discordância é expressa em termos de vetor de Burgers, denotado por um b nas figuras anteriores.

• Discordâncias podem ser observadas em materiais cristalinos usando técnicas de microscopia eletrônica.

Micrografia eletrônica de transmissão de uma liga de titânio: as linhas escuras são discordâncias (aumento de 51.450x).

4. DEFEITOS INTERFACIAIS

• Defeitos interfaciais são contornos que têm duas dimensões e normalmente separam regiões dos materiais que têm diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas.

• Estas imperfeições incluem: superfícies externas, contornos de grão, contornos de maclas, falhas de empilhamento e contornos de fases.

4.1. Superfícies Externas• Um dos contornos mais óbvios é a superfície externa,

que 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.

4.1. Superfícies Externas

• As ligações destes átomos da superfície que não estão satisfeitas dão origem a uma energia de superfície, expressa em unidades de energia por unidade de área (J/m2 ou erg/cm2).

• Para reduzir esta energia, materiais tendem a minimizar, caso seja possível, sua área superfícial.

4.1. Superfícies Externas

• Por exemplo, líquidos assumem uma forma tendo uma área mínima (as gotículas se tornam esferas).

• Naturalmente, isto não é possível com sólidos, que são mecanicamente rígidos.

4.2. Contornos de grão• O contorno de grão é o contorno separando dois

pequenos grãos (ou cristais) tendo diferentes orientações cristalográficas em materiais policristalinos.

• Dentro da região do contorno, que possui várias distâncias atômicas de largura, existe um certo desajuste atômico, ao longo do qual existe a transição a partir da orientação cristalina de um grão para outro.

4.2. Contornos de grão

Diagrama esquemático mostrando contornos de grão de baixo e de alto-ângulo e as posições dos átomos adjacentes.

4.2. Contornos de grão

• Quando o desajuste de orientação é leve, da ordem de uns poucos graus, então o termo contorno de grão de pequeno ângulo é usado.

• Um contorno de grão simples de pequeno ângulo é formado quando discordâncias em cunha são alinhadas.

4.3. Contornos de macla

• Um contorno de macla ( twin boundary) é um tipo especial de contorno de grão através do qual existe uma simetria específica de rede, isto é, átomos de um lado do contorno estão localizados em posições tais como uma imagem num espelho dos átomos que estão do outro lado.

• A região de material entre estes contornos é denominada macla (twin).

4.3. Contornos de macla

Diagrama esquemático mostrando um contorno ou plano de macla e as posições dos átomos adjacentes (círculos coloridos).

4.3. Contornos de macla

• Maclas resultam de deslocamentos atômicos que são produzidos a partir de forças de cisalhamento mecânico aplicadas (maclas mecânicas) e também durante os tratamentos térmicos de recozimento seguido de deformação (maclas de recozimento).

• Maclas de recozimento são tipicamente encontradas em metais que têm estrutura CFC, enquanto que maclas mecânicas são observadas em metais CCC e HC.

4.4. Defeitos interfaciais diversos

• Outros defeitos interfaciais podem incluir: falhas de empilhamento, contornos de fases e paredes de domínio ferromagnético.

• Falhas de empilhamento são encontradas em metais CFC quando existe uma interrupção na seqüência de empilhamento ABCABCABC... de planos estreitamente compactados.

4.4. Defeitos interfaciais diversos

• Contornos de fase existem em materiais multifásicos através do qual existe uma mudança repentina em características físicas e químicas.

• Para materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos, o contorno que separa regiões tendo diferentes direções de magnetização é denominado parede de domínio ferromagnético.

4.4. Defeitos interfaciais diversos

• Materiais ou substâncias ferrimagnéticas são óxidos e misturas de óxidos com materiais ferromagnéticos que apresentam propriedades magnéticas.

• Exemplos: ferritas de zinco e manganês, ferritas de zinco e níquel.

5. VIBRAÇÕES ATÔMICAS

• Cada átomo num material sólido está vibrando muito rapidamente ao redor de sua posição na rede dentro do cristal.

• Num certo sentido, estas vibrações podem ser pensadas como imperfeições ou defeitos.

5. VIBRAÇÕES ATÔMICAS

• Em um dado instante de tempo nem todos os átomos vibram com a mesma freqüência e amplitude, nem com a mesma energia.

• Numa dada temperatura existirá uma distribuição de energias para os átomos constituintes ao redor de uma energia média.

5. VIBRAÇÕES ATÔMICAS

• Ao longo do tempo, a energia vibracional de qualquer átomo específico variará também de uma maneira aleatória.

• Com a elevação da temperatura, esta energia média aumenta e, de fato, a temperatura de um sólido é somente a medida da atividade vibracional média de átomos e moléculas que compõem o material.

5. VIBRAÇÕES ATÔMICAS

• À temperatura ambiente, uma freqüência vibracional característica é da ordem de 1013

vibrações por segundo, enquanto que a amplitude é alguns milhares de um nanômetros.

5. VIBRAÇÕES ATÔMICAS

• Muitas propriedades e processos em sólidos são manifestações deste movimento atômico vibracional.

• Por exemplo, a fusão ocorre quando as vibrações são suficientemente vigorosas para romper grandes números de ligações atômicas.

6. DIFUSÃO ATÔMICA

• Muitas reações e processos importantes no tratamento de materiais baseiam-se na transferência de massa quer dentro de um sólido específico (ordinariamente num nível microscópico) quer a partir de um líquido, um gás ou uma outra fase sólida.

• Isto é necessariamente realizado por difusão, o fenômeno do transporte de material por movimento atômico.

6. DIFUSÃO ATÔMICA

• O fenômeno da difusão pode ser demonstrado com o uso de um par de difusão, que é formado pela união íntima de duas barras de dois metais diferentes (exemplo cobre e níquel).

• Este par é aquecido a uma temperatura elevada (mas abaixo da temperatura de fusão de ambos metais) durante um longo período de tempo e então resfriados até a temperatura ambiente.

6. DIFUSÃO ATÔMICA

(a) Par de difusão cobre-níquel antes do tratamento térmico. (b) Representações esquemáticas dos átomos de Cu (círculos vermelhos) e de Ni (círculos azuis) dentro do par de difusão. (c) Concentrações de cobre e de níquel como uma

função da posição através do par.

6. DIFUSÃO ATÔMICA• Uma análise química revelará a existência de cobre

puro e níquel puro nas duas extremidades do par, separados por uma região ligada.

• Após o tratamento térmicos as concentrações de ambos os metais variarão, o que indica que átomos de cobre migraram (ou difundiram) para dentro do níquel e vice versa.

6. DIFUSÃO ATÔMICA

(a) par de difusão cobre-níquel após tratamento térmico, mostrando a zona de difusão criada. (b) Representações esquemáticas dos átomos de Cu (círculos

vermelhos) e de Ni (círculo azuis) dentro do par. (c) Concentrações de cobre e de níquel como uma função de posição através do par.