falhas e defeitos

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IMPERFEIÇÕES DE PONTO (defeitos pontuais) LACUNAS O defeito pontual mais simples é a lacuna (do inglês: vacancy), ou seja a ausência de um átomo em uma posição atômica originalmente ocupada por um átomo. São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais) As lacunas constituem O ÚNICO tipo de defeito que está em equilíbrio com o cristal. Assim o n° de lacunas para uma dada quantidade de material é função da temperatura de acordo com a equação: Nv = N.exp (-Qv/k.T) onde: N é o n° de átomos T é a temperatura absoluta (K) k é a constante de Boltzmann (1,38 10-23 J/átomo K ou 8,62 10-5 eV/átomo K) Qv é a energia de ativação (J ou eV) Para grande parte dos metais, a fração de lacunas (Nv/N) logo abaixo da temperatura de fusão é da ordem de 10-4 (0,01%) Exemplo: 1 m3 de Cobre possui 8 1028 átomos e a 1000°C apresenta Nv = 2.2 1025 AUTO-INTERSTICIAL É um átomo do cristal posicionado em uma sítio intersticial, que em circunstâncias normais estaria vago. Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro. Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas. Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios. FRENKEL Ocorre em sólidos iônicos quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício SCHOTTKY

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Trabalho sobre falhas e defeitos nas estruturas cristalinas. Defeitos pontuais, lineares, nas superfícies externas e etc..

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Page 1: Falhas e Defeitos

IMPERFEIÇÕES DE PONTO (defeitos pontuais)

LACUNASO defeito pontual mais simples é a lacuna (do inglês: vacancy), ou seja aausência de um átomo em uma posição atômica originalmente ocupada por umátomo.São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais)

As lacunas constituem O ÚNICO tipo de defeito que está em equilíbrio com ocristal. Assim o n° de lacunas para uma dada quantidade de material é função datemperatura de acordo com a equação:

Nv = N.exp (-Qv/k.T)

onde: N é o n° de átomosT é a temperatura absoluta (K)k é a constante de Boltzmann (1,38 10-23 J/átomo K ou 8,62 10-5 eV/átomo K)Qv é a energia de ativação (J ou eV)Para grande parte dos metais, a fração de lacunas (Nv/N) logo abaixo datemperatura de fusão é da ordem de 10-4 (0,01%)Exemplo: 1 m3 de Cobre possui 8 1028 átomos e a 1000°C apresenta Nv = 2.2 1025

AUTO-INTERSTICIALÉ um átomo do cristal posicionado em uma sítio intersticial, que emcircunstâncias normais estaria vago.Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro. Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas. Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios.

FRENKEL

Ocorre em sólidos iônicos quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício

SCHOTTKY

Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas. Envolve a falta de um ânion e/ou um

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cátion.

CONSIDERAÇÕES GERAIS

-Vazios e Schottky favorecem a difusão

-Estruturas de empacotamento fechado tem um menor número intersticiais e Frenkel que de vazios e Schottky porque é necessária energia adicional para forçar os átomos para novas posições.

IMPUREZAS

NÃO existe metal 100% puro!Átomos estranhos (impurezas ou elementos de liga) sempre estarão dispersosna estrutura cristalina. Na realidade, utilizando-se as técnicas atuais de refino, émuito difícil e caro refinar metais com níveis de pureza superiores a 99,9999%. Nesta pureza ainda estão presentes cerca de 1022 1023 átomos por m3 de impurezas.

Estas impurezas são classificadas em duas classes:

SUBSTITUCIONAIS - Na qual os átomos de soluto estão alocados em posiçõesatômicas originalmente pertencentes ao átomo de solvente

INTERSTICIAIS - Na qual os átomos de soluto estão posicionados nos interstíciosdas células cristalinas do solvente.

LIGAS METÁLICAS

As impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade de:

- Aumentar a resistência mecânica

- Aumentar a resistência à corrosão

- Aumentar a condutividade elétrica, etc.

A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantida e não formam-se novas estruturas. As soluções sólidas (ligas) formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes.

Esta adição deve manter a estrutura cristalina e evitar a precipitação de outra fase.Do mesmo modo que os defeitos, as soluções sólidas também são classificadas em substitucionais e intersticiais

-FATORES QUE INFLUEM NA FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS

-REGRA DE HOME-ROTHERY

-Raio atômico ---> deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode

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promover distorções na rede e assim formação de nova fase

-Estrutura cristalina ----> mesma

-Eletronegatividade ----> próximas

-Valência ----> mesma ou maior que a do hospedeiro

-SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS

Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro. Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas. Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios

Exemplos:

- Solução sólida substitucional: Prata 925 - constitui uma solução sólidasubstitucional com 7,5% de cobre na prata.

-Solução sólida intersticial: Aços extra-doce - nestes aços, os átomos de Cficam alocados nos interstícios das células cristalinas.

A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR

Soluções sólidas: Se a adição for menor ou igual ao limite de solubilidade

Segunda fase: Se a adição for maior que o limite de solubilidade

A solubilidade depende da:

-Temperatura

-Tipo de impureza

-Concentração da impureza

Termos usados

-Elemento de liga ou Impureza:

-Soluto (Menor quantidade)

-Matriz ou solvente:

-Hospedeiro (Maior quantidade)

DEFEITOS LINEARES: -DISCORDÂNCIAS

As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais).

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

A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais.

Podem ser:

-DISCORDÂNCIA EM CUNHA:Características principais: Pode ser entendida como um plano extra de átomosno reticulado que provoca uma imperfeição linear. O vetor de Burguers (b) representa a magnitude e a direção da distorção do reticulado. A magnitude desta distorção normalmente tem a ordem de uma distância interatômica. Na discordância em cunha o vetor de Burguers é perpendicular a linha de discordância (plano extra).

-DISCORDÂNCIA EM HÉLICE:A discordância em hélice pode ser imaginada como sendo o resultado da aplicação de uma tensão de cisalhamento. O vetor de Burgues é paralelo a linha de discordância A-B.

-DISCORDÂNCIAS MISTAS:Na verdade os materiais metálicos só apresentarão discordâncias mistas,entretanto como estas discordâncias são complexas, é mais fácil estuda-las comomisturas de discordâncias de discordâncias em cunha e hélice.

-INTERAÇÕES ENTRE DISCORDÂNCIASAlgumas características das discordâncias são importantes com relação aspropriedades mecânicas dos materiais. Entre elas, destacam-se as interações entre oscampos de tensão associados às discordâncias.Estes campos afetam a mobilidade e a habilidade de multiplicação das discordâncias

Interações entre discordâncias:

-CONSIDERAÇÕES GERAIS

-A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmico.

-Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas.

-Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas.

-O cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica, por isso a densidade das mesmas depende da orientação cristalográfica.

-As discordâncias geram vacâncias.

-As discordâncias influem nos processos de difusão.

Page 5: Falhas e Defeitos

-As discordâncias contribuem para a deformação plástica.

OBSERVAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS-MET - MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO

-ATAQUE QUÍMICO ("ETCH PITS")

-DEFEITOS PLANOS/INTERFACIAIS

-Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas.

- DEFEITOS NA SUPERFÍCIE EXTERNA

-Na superfície os átomos não estão completamente ligados, então o estado energia dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal

-Os materiais tendem a minimizar esta energia

-A energia superficial é expressa em erg/cm2 ou J/m2

- CONTORNO DE GRÃO

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

-Um cristal = um grão

-No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação, caracterizada pela célula unitária

-MONOCRISTAL OU POLICRISTAL

-Monocristal: Material com apenas uma orientaço cristalina, ou seja, que contém apenas um grão

-Policristal: Material com mais de uma orientaço cristalina, ou seja, que contém vários grãos

Page 6: Falhas e Defeitos

LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO

-GRÃO -FORMAÇÃO DOS GRÃOS

-A forma do grão é controlada pela presença dos grãos circunvizinhos

-O tamanho de grão é controlado pela composição química e taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação

-CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE CONTORNO DE GRÃO

-Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente

-Há uma energia mais elevada

-Favorece a nucleação de novas fases (segregação)

-Favorece a difusão

-O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias

-Discordância e Contorno de GrãoA passagem de uma discordância através do contorno de grão requer energia

O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui um obstáculo para a passagem da mesma, logo quanto menor o tamanho do grão, maior a resistencia do material.

-CONTORNO DE PEQUENO ÂNGULO

-Ocorre quando a desorientação dos cristais é pequena.

-É formado pelo alinhamento de discordâncias.

-CONTORNOS DE MACLAPodemos considerar as maclas como um tipo especial de contorno de grão noqual existe uma simetria especular, ou seja, os átomos de um lado do contorno estãolocalizados em uma posição que é a posição refletida do outro lado.A região de material entre os contornos é chamada de macla.As maclas são resultantes de deslocamentos atômicos produzidos por tensõesde cisalhamento (maclas de deformação) ou durante tratamento térmico (maclas derecozimento)A formação de maclas (maclação) ocorre em planos cristalográficos definidos edireções cristalográficas específicas, que são dependes da estrutura cristalina.Maclas de recozimento ocorrem em metais com estrutura CFCMaclas de deformação ou mecânicas são observáveis em metais CCC e HC

Page 7: Falhas e Defeitos

Observação dos contornos de macla em microscópio:

-OBSERVAÇÃO DOS GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃO

-Por microscopia (ÓTICA OU ELETRÔNICA).

-Utilização de ataque químico específico para cada material ----> O contorno geralmente é mais reativo.

Grãos vistos no microscopio optico.