Imperfeições em SólidosImperfeições em Sólidos

• Sólidos não são perfeitos em sua microestrutura:

muitas propriedades estão relacionadas com estes defeitos;

freqüentemente defeitos são induzidos propositalmente nos materiais.

• Defeito cristalino:

Uma irregularidade na rede cristalina da ordem de um diâmetro atômico em uma ou mais de suas dimensões.

• Classificação dos defeitos cristalinos em função da dimensão em que ocorrem:

Defeito pontual ( 0 – D)

Discordâncias ( 1 – D)

Defeitos interfaciais ou de fronteira (2 – D)

Defeitos em volume (3 – D)

Defeitos PontuaisDefeitos Pontuais

Vazios e Intersticiais

Vazios

Intersticiais

Substitucionais

• Vazios: sítios atômicos vagos na estrutura cristalina

• Intersticiais: átomos extras ocupando posições entre os sítios atômicos

• Substitucionais: átomos de elementos “estranhos” inseridos na rede cristalina

kT

QNN v

v exp

Defeitos PontuaisDefeitos Pontuais

Defeito de Frenkel: Auto-intersticial (átomo ou íon) criando uma vacância na rede.

Átomo/íon em uma posição intersticial

Vacância

O número de equilíbrio de vazios no sistema é função da temperatura:

Nv = Número de vazios

N = Número de posições atômicas

Qv = Energia de ativação

T = Temperatura absoluta em kelvins

k = Constante de Boltzman

1,38x10-23 J/átomo.K

8,62x10-5 ev/átomo.K

• Há sempre impurezas em cristais metálicos e que podem ser vistos como defeitos pontuais.

• Ligas:

Átomos de impurezas são adicionados intencionalmente a uma estrutura cristalina formada por outro átomo para gerara propriedades específicas aos materiais.

• Adição de impurezas :

solução sólida

formação de 2a fase

• Elementos em uma liga:

Solvente : elemento ou composto presente em maior quantidade

Soluto: elemento ou composto presente em menor quantidade

Fase: porção homogênea de um material com características físicas e químicas uniformes.

Defeitos Pontuais : Impurezas em SólidosDefeitos Pontuais : Impurezas em Sólidos

Defeitos Pontuais : Solução SólidaDefeitos Pontuais : Solução Sólida

• Dois ou mais elementos dispersos em uma única fase.

2 tipos: substitucional ou intersticial

• Substitucional: átomos do solvente substituídos por átomos do soluto no reticulado;

a estrutura do solvente não muda, mas se deforma;

• Intersticial: os átomos do soluto “espremem-se” nos vazios (interstícios) da rede cristalina do solvente;

ocorre quando a diferença de tamanho entre soluto e solvente é grande;

a máxima solubilidade é menor que 10 %

Defeitos Pontuais : Defeito de SchottkyDefeitos Pontuais : Defeito de Schottky

Cristal covalente: vacância Cristal iônico: par de vacâncias

Ns = Número de vazios

N = Número de posições atômicas

Qs = Energia de ativação

T = Temperatura absoluta em kelvins

k = Constante de Boltzman

1,38x10-23 J/átomo.K

8,62x10-5 ev/átomo.K

Defeitos Pontuais : Condição de EletroneutralidadeDefeitos Pontuais : Condição de Eletroneutralidade

A compensação de carga leva à formação de vazios.

• % Peso: útil quando se trabalha com soluções

• % Atômica: útil quando se estuda o material no nível atômico

m1 : massa do elemento 1

A1 : massa atômica do elemento 1

n1 : número de moles do elemento 1

10021

11

mm

mC

10021

1'1

mm

m

nn

nC

1

11 A

mnm

Concentrações - ComposiçãoConcentrações - Composição

• Conversão: % peso % atômica % atômica % massa

Defeitos em Linha : DiscordânciasDefeitos em Linha : Discordâncias

• Definição

Defeito em uma dimensão ao redor do qual alguns átomos encontram-se desalinhados;

Translação incompleta de uma das partes da rede em relação às outras.

• Classificação

Discordância em aresta

Discordância em espiral

Discordância combinada

Defeitos em Linha : DiscordânciasDefeitos em Linha : Discordâncias

Discordância de aresta: o movimento da linha de discordância é paralelo ao da força de cisalhamento

Discordância em espiral: o movimento da linha de discordância é perpendicular ao da força de cisalhamento

Discordância de ArestaDiscordância de Aresta

(a) (b)

a) Um cristal perfeito;

b) Um plano extra é inserido no cristal (a);

c) O vetor de burgers b equivale à distância necessária para fechar o contorno formado pelo mesmo número de átomos ao redor da discordância de aresta.

(c)

Discordância de aresta

Discordâncias: O Vetor de BurgersDiscordâncias: O Vetor de Burgers

Vetor de Burgers

Linha da

discordância

de aresta

O vetor de Burgers b é perpendicular à linha de discordância em uma discordância de aresta.

Discordância em EspiralDiscordância em Espiral

(a) (b) (c)

Linha de discordânci

a

Vetor de Burgers b

a) Um cristal perfeito;

b) e c) Deslocamento de uma secção transversal da ordem de um espaçamento atômico.

O vetor de Burgers b é paralelo à linha de discordância em uma discordância em espiral.

Discordância em EspiralDiscordância em Espiral

Discordância em espiral como resultado de um cisalhamento parcial

Discordância CombinadaDiscordância Combinada

Discordâncias de aresta ou em espiral raramente ocorrem separadamente.

Movimento de DiscordânciasMovimento de Discordâncias

Tensão de cisalhamento

Plano extra de átomos

Linha de discordância

Plano de deslizamento Vetor de Burgers

O movimento de discordâncias provocam deslizamentos, que resultam em deformações permanentes (plásticas) no material.

Monocristal de Zn sob tração

Discordâncias : Esforços EnvolvidosDiscordâncias : Esforços Envolvidos

Regiões de tração e compressão ao redor da discordância

Interação entre discordâncias

Repulsão

Atração e aniquilamen

to

Defeitos InterfaciaisDefeitos Interfaciais

• Superfícies Externas:

Átomos na superfície não têm todas suas ligações satisfeitas e possuem maior energia livre que os átomos sob a superfícies;

Área da superfície tende a minimizar;

A superfície dos sólidos podem se “reconstruir” para satisfazer as ligações atômicas dos seus átomos.

Átomos insaturado

s

Superfície com energia livre

Material cristalino

Defeitos Interfaciais: Contornos de GrãoDefeitos Interfaciais: Contornos de Grão

• Contornos de Grão:

Materiais policristalinos são formados por muitos cristais ou grãos, que têm diferentes direções cristalográficas;

Nas regiões onde estes grãos se encontram ocorre um desordenamento atômico. Elas são chamadas de contorno de grão;

Os átomos próximos à fronteira dos 3 grãos não têm um espaçamento uniforme ou ordenamento. Microestrutura do Pd

(100x)

Contornos de GrãoContornos de Grão

• Ângulos de desalinhamento:

Em função do desalinhamento dos planos atômicos entre os grãos adjacentes, pode-se distinguir os contornos de grão de baixo e alto ângulo.

Ângulo de desalinhamento

Ângulo de desalinhament

o

Alto ângulo

Baixo ângulo

Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)

Uma macla separa duas regiões cristalinas que são, estruturalmente, imagens espelhadas uma da outra.

Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)

• Maclas podem ser causadas por deformações do material, causadas por tensões térmicas ou mecânicas;

• Ligas com memória de forma:

Esse defeito é observado em materiais com memória de forma, que podem recuperar sua forma original quando expostos a uma fonte de calor;

As maclas desaparecem quando estes materiais são deformados e ressurgem quando são aquecidos a altas temperaturas, recuperando sua forma original.

Microscopia de maclas em grão de bronze

(a)

(b)

Defeitos Interfaciais: Falha de EmpacotamentoDefeitos Interfaciais: Falha de Empacotamento

Corresponde a interrupção de uma seqüência regular de empacotamento de planos em uma rede cristalina

Defeitos em VolumeDefeitos em Volume

• Podem ser classificados como poros, fraturas ou inclusões:

• Poros: podem modificar substancialmente as propriedades ópticas, mecânicas e térmicas de um material;

• Fraturas: podem afetar as propriedades mecânicas do material;

• Inclusões: podem modificar substancialmente as propriedades elétricas, mecânicas e ópticas de um material;

poros

Fases secundáriasInclusões

Heterogeneidade(materiais multifásicos)

Exames MicroscópicosExames Microscópicos

• Microscopia Microscopia óptica Microscopia eletrônica de varredura Microscopia eletrônica de

transmissão

• Microestrutura Tamanho de grão Forma

Microscopia óptica

Microscopia ÓpticaMicroscopia Óptica

• Determinação de tamanho de grão

Tome uma micrografia de uma amostras polida, ampliada 100 X;

N = 2 n-1

n = 1 + ln (N)/ln (2)

Onde:

N = número de grãos por polegada quadrada

n = tamanho de grão • Determinação superfície de contorno de grão por unidade de volume

traça-se um círculo aleatoriamente

Contam-se as intersecções

Sv = 2 PL,

PL = número de pontos de intersecção

Exames MicroscópicosExames Microscópicos

Microscopia Eletrônica (SEM)

Microscopia eletrônica de rocha lunar

Exames MicroscópicosExames Microscópicos

Microscopia Eletrônica (TEM)

Microscopia eletrônica de transmissão de um cristal de níquel

Discordâncias