defeitos em materiais

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CIÊNCIA E ENGENHARIA CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DE MATERIAIS Defeitos em Materiais Defeitos em Materiais

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CIÊNCIA E ENGENHARIA DE CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAISMATERIAIS

Defeitos em MateriaisDefeitos em Materiais

Plano de AulaPlano de Aula

1.1. Introdução;Introdução;

2.2. Imperfeições Estruturais;Imperfeições Estruturais;

3.3. Discordância Aresta ou Cunha (Edge Dislocation)Discordância Aresta ou Cunha (Edge Dislocation);;

4.4. Discordância Espiral ou Hélice (Screw Dislocation);Discordância Espiral ou Hélice (Screw Dislocation);

5.5. Discordância Mista;Discordância Mista;

6.6. Defeitos Interfaciais;Defeitos Interfaciais;

7.7. Defeitos Volumétricos (ou de Massa);Defeitos Volumétricos (ou de Massa);

8.8. Técnicas de Microscopia;Técnicas de Microscopia;

9.9. Bibliografia.Bibliografia.

1. Introdução1. Introdução

Ao estudar os materiais cristalinos, tem-se admitido que existe Ao estudar os materiais cristalinos, tem-se admitido que existe uma perfeita ordem em escala atômicauma perfeita ordem em escala atômica

Contudo esse tipo de sólido idealizado não existe, todos os Contudo esse tipo de sólido idealizado não existe, todos os materiais contém grandes números de uma variedade de materiais contém grandes números de uma variedade de defeitos e imperfeições.defeitos e imperfeições.

As propriedades de alguns materiais são profundamente As propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições no sólido influenciadas pela presença de imperfeições no sólido cristalinocristalino

Características específicas são obtidas através da introdução Características específicas são obtidas através da introdução de quantidades controladas de defeitos específicos.de quantidades controladas de defeitos específicos.

Mas o que é um “Defeito” ?Mas o que é um “Defeito” ?

Por “defeito cristalino” Por “defeito cristalino” consideramos uma consideramos uma irregularidade na rede irregularidade na rede cristalina em uma ou cristalina em uma ou mais de suas mais de suas dimensões da ordem dimensões da ordem de um diâmetro de um diâmetro atômicoatômico

2. Imperfeições Estruturais2. Imperfeições Estruturais

Defeitos pontuaisDefeitos pontuais associados com 1 ou 2 associados com 1 ou 2 posiçõesposições atômicasatômicas

Defeitos linearesDefeitos lineares unidimensionalunidimensional

Defeitos interfaciaisDefeitos interfaciais bidimensionalbidimensional

ou contornosou contornos

Defeitos volumétricosDefeitos volumétricos decorrentes dodecorrentes doprocessamentoprocessamento

2.1 Defeitos pontuais2.1 Defeitos pontuais

Número de lacunas em equilíbrioNúmero de lacunas em equilíbrio

LacunasLacunasO defeito pontual mais simples é a lacuna (do inglês: O defeito pontual mais simples é a lacuna (do inglês: vacancy), ou seja a vacancy), ou seja a ausência de um átomoausência de um átomo em uma posição em uma posição atômica originalmente ocupada.atômica originalmente ocupada.As lacunas constituem O ÚNICO tipo de defeito que está em As lacunas constituem O ÚNICO tipo de defeito que está em equilíbrio termodinâmico com o cristal (entropia)equilíbrio termodinâmico com o cristal (entropia)

2.1 Defeitos pontuais2.1 Defeitos pontuais

Auto-instersticiaisAuto-instersticiaisConsiste em um átomo do cristal posicionado em uma sítio Consiste em um átomo do cristal posicionado em uma sítio intersticial (comprimido), que em circunstâncias normais intersticial (comprimido), que em circunstâncias normais estaria vago.estaria vago.

Os defeitos auto-intersticiais Os defeitos auto-intersticiais causam uma grande distorção causam uma grande distorção do reticulado cristalino a sua do reticulado cristalino a sua volta, uma vez que o átomo é volta, uma vez que o átomo é maior que a posição intersticial maior que a posição intersticial ocupada. ocupada.

2.1 Defeitos pontuais2.1 Defeitos pontuais

Impurezas nos sólidosImpurezas nos sólidos

A adição de impurezas a um metal pode originar uma nova A adição de impurezas a um metal pode originar uma nova segunda fase, e/ou uma solução sólida.segunda fase, e/ou uma solução sólida.

No caso dos defeitos (pontuais) gerados por uma solução No caso dos defeitos (pontuais) gerados por uma solução sólida, eles podem ser substitucionais ou instersticiais, sólida, eles podem ser substitucionais ou instersticiais, dependendo do tipo de impurezas, de suas concentrações e dependendo do tipo de impurezas, de suas concentrações e da temperatura da liga.da temperatura da liga.

2.1 Defeitos pontuais2.1 Defeitos pontuais

Solução sólida substitucionalSolução sólida substitucional: os átomos de soluto : os átomos de soluto substituem uma parte dos átomos de solvente no reticulado.substituem uma parte dos átomos de solvente no reticulado.

Regras de William Hume-Rothery -Fator do tamanho atômico (diferença raio atômico <±15%);Fator do tamanho atômico (diferença raio atômico <±15%);-Estrutura cristalina (mesma);Estrutura cristalina (mesma);-Eletronegatividade (diferença menor possível);Eletronegatividade (diferença menor possível);-Valências (↑valência → ↑ dissolução)Valências (↑valência → ↑ dissolução)

Exemplos:Exemplos:

latão (Cu e Zn);latão (Cu e Zn);

bronze (Cu e Sn);bronze (Cu e Sn);

monel (Cu e Ni).monel (Cu e Ni).

2.1 Defeitos pontuais2.1 Defeitos pontuais

Solução sólida intersticialSolução sólida intersticial: Os átomos de impurezas ou os : Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícioselementos de liga ocupam os espaços dos interstícios

Como os materiais metálicos tem geralmente fator de Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas. relativamente pequenas.

2.1 Defeitos pontuais2.1 Defeitos pontuais

Nos materiais cerâmicos, podemos observar ainda outros dois Nos materiais cerâmicos, podemos observar ainda outros dois particulares defeitos pontuais.particulares defeitos pontuais.

Como tais materiais contêm íons de pelo menos dois tipos Como tais materiais contêm íons de pelo menos dois tipos diferentes, os defeitos podem ocorrer para cada espécie de diferentes, os defeitos podem ocorrer para cada espécie de íons.íons.

par cátion-lacuna par cátion-lacuna par cátion-lacuna par cátion-lacuna cátion-intersticialcátion-intersticial ânion-lacuna ânion-lacuna

2.2 Imperfeiçoes Diversas2.2 Imperfeiçoes Diversas

Discordâncias – Defeitos LinearesDiscordâncias – Defeitos Lineares

Uma discordância é um defeito cristalino linear no qual diversos Uma discordância é um defeito cristalino linear no qual diversos átomos estão desalinhados e consequentemente provocam uma átomos estão desalinhados e consequentemente provocam uma distorção na estrutura cristalina distorção na estrutura cristalina

Podem ser: Podem ser: - Aresta- Aresta - Espiral - Espiral - Mista- Mista

Toda a teoria de deformação e endurecimento de metais é Toda a teoria de deformação e endurecimento de metais é fundamentada na movimentação de discordâncias.fundamentada na movimentação de discordâncias.

3. Discordância Aresta ou Cunha 3. Discordância Aresta ou Cunha (Edge Dislocation)(Edge Dislocation)Características principais:Características principais: Pode ser entendida como um Pode ser entendida como um plano extra de átomosplano extra de átomos no reticulado que provoca uma no reticulado que provoca uma imperfeição linearimperfeição linearNa discordância aresta Na discordância aresta o vetor de Burgers é perpendicular a o vetor de Burgers é perpendicular a linha de discordâncialinha de discordância (plano extra) (plano extra)

Vetor de BurgersVetor de Burgers (b): (b):

Representa a magnitudeRepresenta a magnitude

e a direção da distorçãoe a direção da distorção

do reticulado do reticulado

3. Discordância Aresta ou Cunha 3. Discordância Aresta ou Cunha (Edge Dislocation)(Edge Dislocation)Em posições afastadas o retículo cristalino é perfeitoEm posições afastadas o retículo cristalino é perfeito

cadeias coloidais suspensas em cristal líquidocadeias coloidais suspensas em cristal líquido

4. Discordância Espiral ou Hélice 4. Discordância Espiral ou Hélice (Screw Dislocation)(Screw Dislocation)A discordância em hélice pode ser imaginada como sendo o A discordância em hélice pode ser imaginada como sendo o resultado da aplicação de uma tensão de cisalhamento. O resultado da aplicação de uma tensão de cisalhamento. O vetor de Burgues é paralelo a linha de discordância A-B.vetor de Burgues é paralelo a linha de discordância A-B.

5. Discordância Mista5. Discordância Mista

A maioria dos materiais cristalinos apresentam discordâncias A maioria dos materiais cristalinos apresentam discordâncias que não são puramente aresta nem puramente hélice, sendo que não são puramente aresta nem puramente hélice, sendo chamadas de chamadas de Discordância Mista.Discordância Mista.

São contornos bidimensionais que separam duas regiões que São contornos bidimensionais que separam duas regiões que possuem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações possuem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficascristalográficas

Os principais defeitos são:Os principais defeitos são:

– Superfícies externas;Superfícies externas;

– Contornos dos grãos;Contornos dos grãos;

– Contornos de macla.Contornos de macla.

6. Defeitos Interfaciais6. Defeitos Interfaciais

6. Defeitos interfaciais6. Defeitos interfaciais

Superfícies Externas (Átomos da superfície)Superfícies Externas (Átomos da superfície)

Os átomos da superfície não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais Os átomos da superfície não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais próximos, e estão, portanto, em um estado de maior energia do que os átomos próximos, e estão, portanto, em um estado de maior energia do que os átomos nas posições interiores (energia de superfície).nas posições interiores (energia de superfície).

6. Defeitos Interfaciais6. Defeitos Interfaciais

Contornos de grãoContornos de grão

Inicialmente precisamos entender o conceito de monocristal e policristalInicialmente precisamos entender o conceito de 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.

6. Defeitos Interfaciais6. Defeitos Interfaciais

Contornos de grãoContornos de grão

São superfícies que separam dois grãos ou cristais com diferentes orientações São superfícies que separam dois grãos ou cristais com diferentes orientações ((θθ: ângulo de desalinhamento): ângulo de desalinhamento) . .

Assim como na superfície osAssim como na superfície os

contornos de grãos não estãocontornos de grãos não estão

ligados com o número máximoligados com o número máximo

de átomos, possuindo tambémde átomos, possuindo também

mais energia.mais energia.

θ θ ˃˃ 15°: Contorno de alto ângulo15°: Contorno de alto ângulo

θθ << 5 5°°: Contorno de baixo ângulo: Contorno de baixo ângulo

6. Defeitos Interfaciais6. Defeitos Interfaciais

Contornos de maclaContornos de macla

Tipo especial de contorno de grão no qual existe uma simetria Tipo especial de contorno de grão no qual existe uma simetria especular, ou seja, os átomos de um lado do contorno estão especular, ou seja, os átomos de um lado do contorno estão localizados em uma simetria espelhada específica da rede localizados em uma simetria espelhada específica da rede cristalina.cristalina.

Podem surgir devido a:Podem surgir devido a:

Forças de cisalhamento (maclas de deformação) – CCC ou HCForças de cisalhamento (maclas de deformação) – CCC ou HC

Tratamento térmico (maclas de recozimento) - CFCTratamento térmico (maclas de recozimento) - CFC

7. Defeitos Volumétricos (ou de 7. Defeitos Volumétricos (ou de Massa)Massa)São introduzidas no processamento do material e/ou na São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componentefabricação do componente

Inclusões Inclusões (sulfato de Mn)(sulfato de Mn) Precipitados Precipitados (Ferrita/Martensita)(Ferrita/Martensita)

FasesFases PorosidadePorosidade

São diversas técnicas de microscopia utilizadas quando se São diversas técnicas de microscopia utilizadas quando se deseja examinar os elementos estruturais e/ou defeitos dos deseja examinar os elementos estruturais e/ou defeitos dos materiais.materiais.

Microscopia óticaMicroscopia ótica MEVMEV

TEMTEM FA FA

8. Técnicas de Microscopia8. Técnicas de Microscopia

9. Bibliografia usada nesta aula:9. Bibliografia usada nesta aula:

CALLISTER, W. D. - Ciência e Engenharia de Materiais: Uma CALLISTER, W. D. - Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, Jr., editora LTC, 1995. Introdução, Jr., editora LTC, 1995. PADILHA, A . F. - Materiais de Engenharia – Microestrutura e PADILHA, A . F. - Materiais de Engenharia – Microestrutura e Propriedades, editora Hemus, 1997. Propriedades, editora Hemus, 1997. SMITH, W. F. “Princípios de Ciência e Engenharia dos SMITH, W. F. “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais” 3a Edição, editora McGraw Hill. Materiais” 3a Edição, editora McGraw Hill. ASKELAND, D. R. “The Science and Engineering of Materials” ASKELAND, D. R. “The Science and Engineering of Materials” 3rd Edition, Editora PWS Publishing Company. 3rd Edition, Editora PWS Publishing Company. SHACKELFORD, J. F. “Introduction to Materials Science for SHACKELFORD, J. F. “Introduction to Materials Science for Engineers” 3rd Edition, editora Prentice Hall. Engineers” 3rd Edition, editora Prentice Hall.