imperfeições nos sólidos 1

Estruturas e Propriedades Estruturas e Propriedades dos Materiaisdos Materiais

Universidade Federal do Espírito SantoUniversidade Federal do Espírito SantoCentro TecnológicoCentro Tecnológico

Departamento de Engenharia MecânicaDepartamento de Engenharia Mecânica

Capítulo 4 – Imperfeições nos SólidosCapítulo 4 – Imperfeições nos Sólidos

Introdução

Defeitos cristalinos irregularidade na ordem de um diâmetro atômico

Defeitos x propriedades

Introdução de defeitos para mudar propriedades

Defeitos pontuais, lineares, interfaciais ou contorno e impurezas nos sólidos

Técnicas para exame de defeitos e estrutura dos materiais

Imperfeições em Sólidos

Os cristais descritos até agora são todos ideais ou seja, não possuem defeitos.

Os cristais reais apresentam inúmeros defeitos, que são classificados por sua “dimensionalidade”. Defeitos pontuais (dimensão zero): Lacunas

(vacâncias, vazios), auto-interstciais, impurezas (intersticiais e substitucionais)

Defeitos lineares (dimensão um): Discordâncias (dislocações)

Defeitos Planares (dimensão dois): Contornos de grão, contornos de fases, superfície externa, maclas

Defeitos volumétricos (dimensão três): Vazios, fraturas, inclusões e outras fases

Lacunas e Auto-intersticiais

Defeitos Pontuais

Tk

QexpNN v

v

Sólido cristalino sem lacunas?

NV = número de lacunas em equilíbrioN = número total de sítios atômicosQv = energia para formação de uma lacunaK = cte. de BoltzmannT = temperatura em Kelvin

Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal real estão sempre vibrando.

Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a chance de átomos saírem de suas posições, deixando um vazio (vacância) em seu lugar.

Para a maioria dos metais, próximo à sua temperatura de fusão Nv/N ≈ 10-4

Lacunas (e átomos da rede em posições intersticiais) podem ser criadas nos materiais por deformação plástica ou por meio de irradiação com partículas de alta energia (nêutrons, elétrons ou íons).

Uma alta concentração de lacunas também pode ser retida em um cristal por meio de resfriamento rápido a partir de altas temperaturas (“quenching”).

Se o resfriamento não for muito rápido, as lacunas em excesso em relação à quantidade de equilíbrio para cada temperatura migrarão para a superfície externa do cristal ou para outros defeitos cristalinos internos e desaparecerão.

Os auto-intersticiais ou simplesmente intersticiais também são defeitos de equilíbrio, isto é, para cada material existe uma concentração de equilíbrio de intersticiais, a qual aumenta com o aumento da temperatura.

A experiência de Simmons e Balluffi

A presença de defeitos puntiformes causa variação de volume nos sólidos. A presença de lacunas causa aumento de volume, enquanto os intersticiais causam diminuição.

Dilatômetro de precisão

Difração de raios x

Dilatômetro de precisão

Difração de raios x

Dilatômetro de precisão

Difração de raios x

Para altas temperaturas, a variação de comprimento é maior que a variação de parâmetro de rede. Esta diferença é devida às lacunas.

Quando um pedaço de metal é aquecido seu comprimento aumenta. Esta expansão é devida ao afastamento dos planos atômicos do cristal e também à criação de lacunas.

Enquanto a difração de raios x mede apenas o afastamento dos planos atômicos, o dilatômetro mede a variação total de comprimento.

É interessante mencionar que, se o número de intersticiais criados durante o aquecimento fosse maior que o número de lacunas criadas, o valor de Δa/a seria superior ao valor de ΔL/L para cada temperatura.

Impurezas em Sólidos

Soluções sólidas substitucionais Soluções sólidas intersticiais

Metais puros ??? Ligas: prata de lei (92,5% de Ag e 7,5% de Cu)

Solvente Soluto

Fator do Tamanho Atômico Os raios atômicos dos dois elementos não devem diferir entre si de mais de 15%.

Estrutura Cristalina O tipo de estrutura cristalina deve ser o mesmo.

Eletronegatividade As eletronegatividades devem ser quase iguais ou próximas. Em caso contrário, poderá formar-se um composto, em conseqüência da diferença de afinidade por elétrons.

Valências As valências dos dois elementos não devem diferir de mais de uma unidade.

Regras de Hume-Rothery:

Soluções Sólidas Substiticionais

Soluções Sólidas Intersticiais

Sítios octaédricos Sítios tetraédricos

CFCCFCCFC

CCCCCC

Sítios octaédricos Sítios tetraédricos

r/R (raio do insterstício/raio atômico)

Estrutura Cristalina

Interstícios

Octaédricos

Interstícios

Tetraédricos

CCC (0,68)

0,150 0,286

CFC (0,74)

0,4142 0,223

Solubilidade ???Ex: Carbono no ferro

Especificação da composição ou concentração

Porcentagem em peso:

1

1'

1m A

mn

100nn

nC

2m1m

1m1'

100mm

mC

21

11

Porcentagem atômica:

Conversões entre composições

Porcentagem atômica em porcentagem em peso:

Porcentagem em peso em porcentagem atômica:

100ACAC

ACC

1221

211'

100ACAC

ACC

22'

11'

11'

1

Discordâncias ou Deslocações Uma discordância é um defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns átomos estão desalinhados.

Todo os materiais cristalinos contêm algumas discordâncias que foram introduzidas durante a solidificação e a deformação plástica; e, como conseqüência das tensões térmicas que resultam de um resfriamento rápido.

A deformação permanente da maioria dos materiais cristalinos é feita pelo movimento das discordâncias.

1) Discordância em Aresta ou Cunha2) Discordância em Espiral ou Hélice3) Discordância Mista

Discordância em Aresta ou Cunha

Vetor de Burgers (b): Magnitude e direção da distorção da rede Nos materiais metálicos, b irá apontar para uma direção compacta com magnitude igual a um espaçamento atômico

b ┴ linha de discordância

b = ???

Discordância em Hélice ou Espiral

b // linha de discordância

b = ???

Discordância Mista

b = ???

Superfícies externas Contorno de grão Contornos de macla Contornos de fases Falhas de empilhamento

Defeitos Interfaciais

Energia superficial Energia de contorno de grão Crescimento de grãos policristalino) ≈ monocristalino)

Contornos de macla

Simetria em espelho

Contornos de fases

Defeitos Volumétricos

Poros Trincas Inclusões exógenas Outras fases

Compreender a relação entre estrutura (e os defeitos) e propriedades Prever as propriedades dos materiais uma vez que estas relações tenham sido estabelecidas Dimensão macroscópica Dimensão microscópica

Exame Microscópico

Microscopia ótica (MO) - até 2000X Microscopia eletrônica de varredura (MEV) – 10 a 50.000X

Microscopia eletrônica de transmissão (MET) – até 1.000.000X - Espessura da amostra entre 100 e 1000 nm

Microscopia com sonda de varredura (MSV) – até 109X - Imagens topográficas tridimensionais, operados em variedade de ambientes (vácuo,ar,líquido)

FIM