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Imperfeições em Arranjos Atômicos

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Por quê o rubi é vermelho?

A adição de 1% de óxido de cromo em alumina cria defeitos;

Uma transição entre os níveis destes defeitos tornam o óxido de cromo contendo alumina o rubi vermelho.

Similarmente, a incorporação deFe+4 e Ti+4 fazem a safira azul.

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Imperfeições da Rede

Todos os metais contém imperfeições no arranjo dos átomos, as quais possuem um efeito significativo no comportamento deste metal.

Controlando as imperfeições da rede, podemos criar metais ou ligas mais resistentes, por exemplo.

As imperfeições da rede são divididas em três classes:

– defeitos pontuais: – defeitos lineares:

» discordâncias.» vacâncias;

» defeitos substitucionaisou intersticiais;

» pares de imperfeições.

– defeitos superficiais:

» contornos de grãos;

» twin boundaries.

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Com relação à dimensionalidade, os defeitos são classificados como:

Defeitos Pontuais (dimensão zero)

Vacâncias / Impurezas intersticiais e substitucionais

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Defeitos Lineares (dimensão um)

Discordâncias

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Defeitos Planares (dimensão dois)

Interfaces e fronteiras de grão

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Defeitos Volumétricos (dimensão três)

Vazios, fraturas, inclusões e outras fases.

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Vacancies,impurities

dislocations Grain and twinboundaries

VoidsInclusionsprecipitates

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Defeitos Pontuais

São interrupções no arranjo atômico de uma estrutura cristalina;

Normalmente, estas imperfeições são introduzidas pelo movimento de átomos ou íons quando eles ganham energia por aquecimento, durante o processamento do material, introduzindo impurezas ou dopantes.

Impurezas são elementos ou compostos que estão presentes no material no estado bruto.

Dopantes são elementos que são acrescentados com o objetivo de melhorar propriedades durante o processamento.

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Defeitos pontuais: (a) vacância, (b) átomo intersticial, (c) átomo substitucional pequeno, (d) átomo substitucional grande, (e) Defeito Frenkel, (f) Defeito Schottky.

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Vacância (Lacuna)

É a ausência de um átomo ou íon na rede

cristalina..

Metais e Ligas:

– vacâncias são introduzidas durante a solidificação,

em altas temperaturas, devido a perda de radiação.

A necessidade da existência de vacâncias é explicada pelo aumento da

entropia (aleatoriedade) de um cristal

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Em temperatura ambiente, a concentração de vacâncias é baixa e aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura, seguindo a Lei de Arrhenius:

−=RTQnn v

v exp

nv é o número de vacâncias por cm3;n é o número de átomos por cm3;Qv é a energia necessária para produzir um mol de vacâncias;R é a constante dos gasesT é a temperatura em K.

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Defeitos IntersticiaisEm qualquer estrutura cristalina, existem vazios entre os átomos da rede onde podem entrar átomos menores que aqueles que compõe a rede. Estas posições são denominadas intersticiais.

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A maior parte das vezes, nós adicionamos átomos diferentes para formar ligas ou compostos.

Quando impurezas estão presentes num material, estas impurezas geralmente estão localizadas nestas posições intersticiais.

Por exemplo, quando adicionamos carbono ao ferro, estamos produzindo uma liga Fe-C, mais conhecida como aço.

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Quando substituímos átomos de Ti numa rede bcc de Nb, estamos produzindo uma liga com propriedades supercondutoras.

Em cerâmicas, as posições intersticiais são de fundamental importância para definir suas propriedades, por exemplo, oxigênio intersticial na maioria dos óxidos supercondutores alteram a temperatura crítica e na maior parte das vezes melhora a supercondutividade.

Um átomo, quando localizado numa posição intersticial, irá tocar dois ou mais átomos, possuindo número de coordenação igual ao número de átomos que tocam.

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Um sítio intersticial cúbico, pode ocorrer somente numa estrutura cúbica simples e possui número de coordenação 8:

1/2,1/2,1/2

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Numa rede bcc, podemos encontrar dois tipos de sítios intersticiais:

– sítios octaedrais, cuja posição é o centro de um octaedro, e possui número de coordenação 6;

– sítios tetraedrais, cuja posição é o centro de um tetraedro, com número de coordenação 4

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Numa rede fcc, podemos encontrar dois tipos de sítios intersticiais:

– sítios octaedrais, cuja posição é o centro de um octaedro, e possui número de coordenação 6;

– sítios tetraedrais, cuja posição é o centro de um tetraedro, com número de coordenação 4

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Numa rede hcp, podemos encontrar dois tipos de sítios intersticiais:

– sítios octaedrais, cuja posição é o centro de um octaedro, e possui número de coordenação 6;

– sítios tetraedrais, cuja posição é o centro de um tetraedro, com número de coordenação 4

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Nós podemos calcular o raio de um átomo que preencherá um sítio cúbico, numa célula cubica simples:

2RR

r

( ) ( ) RRRRd 3212222 222==+=

rRd 22 +=

( )732,0

13

3222

=

−=

=+

Rr

Rr

RrR

Diagonal do cubo:

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Defeitos SubstitucionaisA adição de átomos de impurezas a um metal irá resultar na formação de uma solução sólida.

Numa solução sólida, o solvente é o elemento que está presente em maior quantidade, enquanto o soluto é aquele que está presente em menor quantidade.

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Solução Sólida Intersticial

Ligas com átomos pequenosÁtomos pequenos em vazios intersticiaisEstes átomos deformam a rede e introduzem tensões internas

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Defeito SchottkyÉ o tipo de defeito onde ocorrem pares de vacâncias

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Criando um defeito tipo SchottkyPodemos criar um defeito Schottky em um cristal perfeito fazendo a transferência de um átomo do interior da rede até um sítio da rede na superfície do cristal.

No equilíbrio térmico de um cristal perfeito, um certo número de vacâncias está sempre presente, uma vez que a entropia cresce com a desordem da estrutura.

Para estruturas com agrupamento compacto, a proporção de sítios vazios da rede em temperaturas um pouco abaixo do ponto de fusão é da ordem de 10-3 e 10-4.

Porém em algumas ligas formadas por carbonetos de metais de transição, tais como TiC, a proporção de sítios vazios de um componente pode atingir até 50%.

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Defeito FrenkelUm defeito defeito FrenkelFrenkel é aquele em que o átomo se transfere de um sítio da rede até uma posição posição intersticial, intersticial, uma posição que não é normalmente ocupada por um átomo.

Frenkel

Schottky

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Um defeito pontual substitucional importante ocorre quando um íon de uma determinada carga substitui um

íon de carga diferente

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DiscordânciasSão defeitos lineares. Existe uma linha separando a seção perfeita, da seção deformada do material.

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São responsáveis pelo comportamento mecânico dos materiais quando submetidos a cisalhamento.

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São responsáveis pelo fato de que os metais são cerca de 10 vezes mais “moles” do que deveriam.

Existem dois tipos fundamentais de discordâncias:

Discordância em linha (edge dislocation)

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Discordância em hélice (screw dislocation)

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Discordância mista

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Os cristais podem apresentar defeitos alinhados e contínuos em sua estrutura, dando origem às imperfeições em linha.

Os defeitos em linha, também chamados de discordâncias, são defeitos 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 a solidificação, na deformação plástica de sólidos cristalinos ou ainda como resultado da concentração de vacâncias.

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Uma discordância em hélice ocorre quando o empilhamento atômico é feito na forma de uma mola.

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Uma discordância em cunha ocorre pela interrupção de um plano atômico como mostra a figura e neste caso, esse vetor é perpendicular à linha de discordância.

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As discordâncias são produzidas durante solidificação do material ou quando é aplicada uma tensão cisalhante sobre o mesmo.

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As deformações plásticas em um material apenas são possíveis a partir do movimento de discordâncias no mesmo, pois as discordâncias

facilitam o movimento de planos de átomos dentro da rede cristalina.

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(c) 2003 Brooks/C

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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Os materiais podem ser solicitados por tensões de compressão, tração ou de cisalhamento.

Como a maioria dos metais são menos resistentes ao cisalhamento que à tração e compressão e como estes últimos podem ser decompostos em componentes de cisalhamento, pode-se dizer que os metais se deformam pelo cisalhamento plástico ou pelo escorregamento de um plano cristalino em relação ao outro.

O escorregamento de planos atômicos envolve o movimento de discordâncias.

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DISCORDÂNCIAS E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Em uma escala microscópica a deformação plástica é o resultado do movimento dos átomos devido à tensão aplicada. Durante este processo ligações são quebradas e outras refeitas. Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve o escorregamento de planos atômicos, o movimento de discordâncias.

Então, a formação e movimento das discordâncias têm papel fundamental para o aumento da resistência mecânica em muitos materiais. A resistência Mecânica pode ser aumentada restringindo-se o movimento das discordâncias.

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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS E A

DEFORMAÇÃO PLÁSTICADiscordâncias em cunha movem-se devido à aplicação de uma tensão de cisalhamento perpendicular à linha de discordância

O movimento das discordâncias pode parar na superfície do material, no contorno de grão ou num precipitado ou outro defeito

A deformação plástica corresponde à deformação permanente que resulta principalmente do movimento de discordâncias (em cunha ou em hélice)

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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM SOLUÇÕES SÓLIDAS

Quando um átomo de uma impureza está presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento. Por isso

soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que seus metais puros constituintes

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Defeitos Superficiais

Defeitos superficiais são os contornos que separam o material em regiões, cada região possuindo a mesma estrutura cristalina, mas orientação diferente.

Tais regiões são denominadas grãos.

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Defeitos Volumétricos

• Defeitos introduzidos durante o processamento do material e/ou fabricação do componente.

• Tipos de defeitos Volumétricos:

• Inclusões: presença de impurezas estranhas

• Precipitados: aglomerados de partículas com composição diferente da matriz (hospedeiro)

• Porosidade: origina-se devido a presença de gases, durante o processamento do material

• Fases: devido à presença de impurezas (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado)

• Estrias Segregacionais: presente principalmente em materiais semicondutores dopados.

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Defeitos Volumétricos: Inclusões

Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em cobre de alta pureza (99,26%), laminado a frio e recozido a 800 oC.

sulfetos de manganês (MnS) em aço rápido.

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Defeitos Volumétricos: Porosidade

compactado de pó de ferro, compactação uniaxial em matriz de duplo efeito, a 550 MPa

compactado de pó de ferro após sinterização a 1150 oC, por 120min em atmosfera de hidrogênio

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Defeitos Volumétricos: Segunda Fase

Micro-estrutura composta por veios de grafita sobre uma matriz perlítica.

Grão de perlita: é constituído por lamelas alternadas de duas fases:ferrita (ou ferro-α) e cementita (ou carboneto de ferro).

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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM MATERIAIS POLICRISTALINOS

O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias

Devido as diferentes orientações cristalinas presentes, resultantes do grande número de grãos, as direções de escorregamento das discordâncias variam de grão para grão

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O contorno de grão funciona como um barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão.

Se os metais deformados plasticamente forem submetidos ao um aquecimento controlado, este aquecimento fará com que haja um rearranjo dos cristais deformados plasticamente, diminuindo a dureza dos mesmos

Depois da recristalização se o material permanecer por mais tempo em temperaturas elevadas o grão continuará à crescer

Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor é sua resistência

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