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Estrutura e Propriedades dos Materiais

IMPERFEIÇÕES CRISTALNAS

Prof. Rubens Caram

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IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

TODO CRISTAL EXIBE DEFEITOS

QUANTIDADE E TIPO DE IMPERFEIÇÕES DEPENDE DA FORMA QUE O CRISTAL FOI FORMADO

DEFEITOS MODIFICAM O COMPORTAMENTO DO MATERIAL:

MECÂNICO

ELÉTRICO

QUÍMICO

ÓPTICO

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ORIGEM DA ESTRUTURA CRISTALINA

ESTRUTURA CRISTALINA SURGE ATRAVÉS:TRANSFORMAÇÃO VAPOR-SÓLIDOTRANSFORMAÇÃO SÓLIDO-SÓLIDOTRANSFORMAÇÃO LÍQUIDO-SÓLIDO (SOLIDIFICAÇÃO)(FORMA MAIS COMUM EM METAIS)

NUCLEAÇÃO DA NOVA FASECRESCIMENTO DA NOVA FASE

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NUCLEAÇÃO

NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA

NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA

Embriões da fase sólida

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CRESCIMENTO

CRESCIMENTO OCORRE QUANDO ÁTOMOS DO LÍQUIDO SÃO AGREGADOS AO SÓLIDO

A FORMA COM QUE O CALOR É RETIRADO DO LÍQUIDO DETERMINA A FORMA A MICROESTRUTURA

FLUXO DE CALOR DIRECIONAL: CRISTAIS CRESCEM COM DIREÇÃO ÚNICA

FLUXO NÃO DIRECIONAL: CRISTAIS CRESCEM SEM UMA DIREÇÃO PREFERENCIAL

TAXA DE RETIRADA DE CALOR DO LÍQUIDO: À MEDIDA QUE ESSA TAXA DECRESCE, TORNA-SE POSSÍVEL OBTER CRISTAIS DE MAIOR PERFEIÇÃO

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CRESCIMENTO CONTROLADO

PROCESSO CZOCHRALSKI DE CRESCIMENTO DE CRISTAIS

Si Mono-cristalino

•

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CRESCIMENTO NÃO CONTROLADO

PROCESSO DE FUNDIÇÃO

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IMPERFEIÇÕES EM CRISTAIS

TIPOS DE IMPERFEIÇÕESPONTUAISEM LINHADE SUPERFÍCIE

ALUMINA MONOCRISTALINA

(SAFIRA)ALUMINA

POLICRISTALINA

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IMPERFEIÇÕES PONTUAIS

VAZIOS OU VACÂNCIASSÃO ESSENCIAIS EM PROCESSOS DE DIFUSÃOQUANTIDADE AUMENTA COM A TEMPERATURA

Vazio

Vazio

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IMPERFEIÇÕES PONTUAIS

DEFEITOS DE FRENKEL E DE SCHOTTKY

DEFEITO DE SCHOTTKY DEFEITO DE FRENKEL

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IMPERFEIÇÕES PONTUAIS

ÁTOMO SUBSTITUCIONAL

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IMPERFEIÇOES PONTUAIS

ÁTOMO INTERSTICIAL

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IMPERFEIÇÕES PONTUAIS

POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CFC)

TETRAÉDRICAOCTAÉDRICA

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IMPERFEIÇÕES PONTUAIS

POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CFC) OCTAÉDRICA

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IMPERFEIÇÕES PONTUAIS

POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CFC)TETRAÉDRICA

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IMPERFEIÇÕES PONTUAIS

POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CCC)

OCTAÉDRICA TETRAÉDRICA

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IMPERFEIÇÕES PONTUAIS

POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CCC)OCTAÉDRICA

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IMPERFEIÇÕES PONTUAIS

POSIÇÕES INTERSTICIAIS (CCC)TETRAÉDRICA

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SOLUÇÃO SÓLIDA

SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONALMISTURA DE ELEMENTOS, ONDE O SOLUTO OCUPA POSIÇÕES INTERSTICIAISEX.: Fe-C, Fe-H

SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONALMISTURA DE ELEMENTOS ONDE O SOLUTO OCUPA POSIÇÕES SUBSTITUCIONAISEX.: Cu-Zn, Cu-Sn

ELEMENTO EM MAIOR QUANTIDADE: SOLVENTEELEMENTO EM MENOR QUANTIDADE: SOLUTO

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S.S. E PROPRIEDADES MECÂNICASLi

mite

deEs

coam

ento

,MPa

% Soluto

PRESENÇA DE SOLUTOS ALTERA O COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS METAIS:DIFERENÇA ENTRE TAMANHOS ATÔMICOS LEVA AO AUMENTO DA RESISTÊNCIA MECÂNICAAUMENTO DA QUANTIDADE DE SOLUTO LEVA AO AUMENTO DA RESISTÊNCIA MECÂNICAEXÊMPLOS:

LIGA Cu-Zn: AUMENTO PEQUENO -TAMANHOS ATÔMICOS PRÓXIMOSLIGA Cu-Sn: AUMENTO MÉDIO -TAMANHOS ATÔMICOS DIFERENTESLIGA Cu-Be: AUMENTO ELEVADO – TAMANHOS ATÔMICOS DIFERENTES

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DIAGRAMA DE FASES Cu-Zn

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DIAGRAMA DE FASES Fe-C

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DIAGRAMA DE FASES Cu-Sn

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EXERCÍCIO

Determine o raio do interstício octaédrico no ferro γ.Dados: estrutura do ferro γ=CFC e raio atômico=0,129 nm

r

R

R+r R

45o

R

Plano (200) na estrutura CFC

Como o raio atômico do ferro é igual a 1,29 nm, oraio do interstício será dado por:

rRR

2245sen o

+==

RrR2

22 +

==

Rr12 +=

414,0Rr=

nm053,0414,0129,0414,0Rr ===

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SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL

EM UMA SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL, A SOLUBILIDADE DE UM ELEMENTO EM OUTRO SERÁELEVADA DESDE QUE:

(a) ESTRUTURA CRISTALINA DO SOLUTO SEJA A MESMA DO SOLVENTE; (b) VALÊNCIAS DO SOLUTO E DO SOLVENTE SEJAM IGUAIS; (c) ELETRO-NEGATIVIDADES DO SOLUTO E DO SOLVENTE SEJAM PRÓXIMAS (PARA QUE UMA REAÇÃO QUÍMICA SEJA EVITADA) E (d) RAIOS ATÔMICOS DO SOLUTO E SOLVENTE TENHAM VALORES PRÓXIMOS (A DIFERENÇA NÃO DEVE ULTRAPASSAR 15 %).

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EXERCÍCIO

Uma liga Al-Cu tem 5 % em peso de Cu e 95 % em peso de Al. A massa atômica do Al é 27 g/mol e do Cu é 63,5 g/mol. Determine a quantidade de cobre em % em átomos.

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EXERCÍCIO

Uma liga Al-Cu tem 5 % em peso de Cu e 95 % em peso de Al. A massa atômica do Al é 27 g/mol e do Cu é 63,5 g/mol. Determine a quantidade de cobre em % em átomos.

Em 100 g da liga existem 95 g de alumínio e 5 g de cobre. 1 mol (6,02 x 1023 átomos) de Cu = 63,5 g6,02 x 1023 átomos ⇒ 63,5 g

NCu átomos ⇒ 5 gNCu = 5 g x 6,02 x 1023/63,5 g = 0,47 x 1023 átomos de Cu

6,02 x 1023 átomos ⇒ 27 gNAl átomos ⇒ 95 gNAl = 95 g x 6,02 x 1023/27 g = 21,18 x 1023 átomos de Al

O número total de átomos é: Ntotal = NCu + NAl = 21,65 x1023 átomosQuantidade de Cu na liga em % em átomos é:

% em átomos de Al = 21,18 x 1023/21,65 x1023 x 100% = 97,8 %% em átomos de Cu = 0,47 x 1023/21,65 x1023 x 100% = 2,2 %.

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IMPERFEIÇÕES EM LINHA

OS CRISTAIS APRESENTAM DEFEITOS ALINHADOS E CONTÍNUOS: IMPERFEIÇÕES EM LINHAOS DEFEITOS EM LINHA, TAMBÉM CHAMADOS DE DISCORDÂNCIAS SÃO IMPERFEIÇÕES QUE CAUSAM A DISTORÇÃO DA REDE CRISTALINA EM TORNO DE UMA LINHA E CARACTERIZAM-SE POR ENVOLVER UM PLANO EXTRA DE ÁTOMOS. ESTAS IMPERFEIÇÕES PODEM SER PRODUZIDAS DURANTE O CRESCIMENTO DO CRISTAL OU NA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DO CRISTALEXISTEM DOIS TIPOS PRINCIPAIS DE DISCORDÂNCIAS:

DISCORDÂNCIA EM CUNHADISCORDÂNCIA EM HÉLICE

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DISCORDÂNCIAS

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DISCORDÂNCIA EM CUNHA

br

Linha deDiscordância

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DISCORDÂNCIA EM HÉLICE

Linha de Discordância

br

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DISCORDÂNCIA MISTA

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DISCORDÂNCIAS

DISCORDÂNCIAS NO COBRE

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DISCORDÂNCIAS

DISCORDÂNCIAS NO SILÍCIO

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DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO

MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS

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DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO

MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS

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IMPERFEIÇÕES DE SUPERFÍCIE

CRISTAIS APRESENTAM DEFEITOS EM DUAS

DIMENSÕES, QUE SE ESTENDEM AO LONGO DA

ESTRUTURA, GERANDO IMPERFEIÇÕES DE

SUPERFÍCIES:

SUPERFÍCIES LIVRE

FALHAS DE EMPILHAMENTO

CONTORNOS DE GRÃO

MACLAS

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SUPERFÍCIES LIVRES

Superfície Externa

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FALHAS DE EMPILHAMENTO

HC

CFCFALHA DE EMPILHAMENTO

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GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃOS

NUCLEAÇÃO

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GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃOS

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OBSERVAÇÃO DE C.G.

Luz Incidente Luz

Refletida

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FERRO FUNDIDO NODULAR

MATRIZ FERRÍTICA E NÓDULOS DE GRAFITA (CINZA)

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LIGA EUTÉTICA TERNÁRIA

EUTÉTICO Nb2Al-Al3Nb-AlNiNb

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AÇO BAIXO CARBONO (1020)

FERRITA E PERLITA

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AÇO ALTO CARBONO (1070)

FERRITA E PERLITA

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AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO

GRÃOS AUSTENÍTICO

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COBRE

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TAMANHO DE GRÃO ASTM

512102569128864732616584432211

N, GRÃOS/POL2n, TAMANHO DE GRÃO

1n2 N −=

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TAMANHO DE GRÃO ASTM

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TAMANHO DE GRÃO ASTM

n=4n=1 5 µm

n=8

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MACLAS

MACLAS PODEM SURGIR A PARTIR DE TENSÕES TÉRMICAS OU MECÂNICAS.

TAL DEFEITO OCORRE QUANDO PARTE DA REDE CRISTALINA É DEFORMADA, DE MODO QUE A MESMA FORME UMA IMAGEM ESPECULAR DA PARTE NÃO DEFORMADA.

PLANO CRISTALOGRÁFICO DE SIMETRIA ENTRE AS REGIÕES DEFORMADAS E NÃO DEFORMADA, É CHAMADO DE PLANO DE MACLAÇÃO.

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MACLAS

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MACLAS

MACLA