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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA

DEFEITOS CRISTALINOS

MARCELINO PEREIRA DO NASCIMENTO

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA

DEFEITOS CRISTALINOS

• Lacunas ou Vacâncias• Átomos Intersticiais• Átomos Substitucionais

Defeitos Pontuais

• Discordâncias Defeitos Lineares

• Contornos de Grãos Defeitos Interfaciais(de fronteira)

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

muitas propriedades estão relacionadas com estes defeitos;

freqüentemente, defeitos são induzidos propositalmente nos materiais.

CLASSIFICAÇÃO:

CLASSIFICAÇÃO DOS DEFEITOS PONTUAIS

CLASSIFICAÇÃO DOS DEFEITOS PONTUAIS

Vazios

Intersticiais

Subs

tituc

iona

is

• 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

DEFEITOS PONTUAIS:

Lacuna (ou vacância) = ausência de um átomo ou íon em uma posição

cristalográfica

Distorção de planos

São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições

normais)

DEFEITOS PONTUAIS: VACÂNCIAS

VACÂNCIAS - EXEMPLOCalcule a concentração de vacâncias no cobre a 25oC. A que temperatura será necessário aquecer este metal para que a concentração de vacâncias produzidas seja 1000 vezes maior que a quantidade existente a 25oC? Assuma que a energia para a formação de lacunas seja 20000 cal/mol e o parâmetro de rede para o cobre CFC é 0,36151 nm.

Solução:O número de átomos ou posições na rede cristalina, por unidade de volume, do cobre é:

para que Nv seja 1000 vezes maior,

Nv = = 8,47x1022 átomos Cu/cm34 átomos/célula(3,6151x10-8cm)3

Nv = 8,47x1022 e-20000/(1,987 x 298) = 1,81x108 lacunas / cm3

1,81x1011 = 8,47x1022e-20000/(1,987 T) T = 102 °C

a 25°C (T=298K):

VACÂNCIAS - EXEMPLO

No ferro com estrutura CFC, átomos de carbono podem ocupar o centro de cada aresta (posição 1/2, 0, 0) e o centro da célula unitária (1/2, 1/2, 1/2). No ferro CCC, os átomos de carbono podem se localizar em posições como a 1/4, 1/2, 0. O parâmetro de rede do Fe é 0,3571 nm para a estrutura CFC e 0,2866 nm para o ferro CCC. Assuma que os átomos de carbono tenham raios de 0,071 nm. 1) Em qual dessas situações ocorrerá a maior distorção do cristal pela presença de átomos intersticiais de carbono? 2) Qual seria a porcentagem de átomos de carbono em cada tipo de ferro se todos os sítios intersticiais fossem ocupados?

¼,½,0

CFC CCC

½,0,0½,0,0

½,½,½


Para a estrutura CFC, R = √2 a0 / 4 = 0,1263 nm. Além disso, segundo a figura abaixo,

rR

2r + 2R = a0

então,

r = 0,0522 nmDesta forma, como o espaço intersticial é menor no ferro CCC, os átomos de carbono distorcerão mais este tipo de estrutura.


b) A estrutura CCC possui dois átomos de ferro em cada célula unitária. Além disso, existem 24 posições intersticiais do tipo ¼,½,0. Entretanto, como cada posição está localizada na face da célula, apenas metade de cada sítio pertence exclusivamente a uma célula. Assim, existem de fato 12 posições intersticiais para cada célula unitária. Se todas estas posições estiverem ocupadas, a porcentagem atômica de carbono contida no ferro será

%at C= 12 átomos de carbono + 2 átomos de ferro12 átomos de carbono X100 = 86%

Na estrutura CFC, existem 4 átomos de ferro e 4 posições intersticiais em cada célula. Assim,

%at C= 4 átomos de carbono + 4 átomos de ferro4 átomos de carbono X100 = 50%

CCC: 1,0%CFC: 8,9%

DEFEITOS PONTUAISINTERSTICIAISPresença de um átomo ou íon em uma posição não pertencente à estrutura cristalina;Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal);Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício;A formação de um defeito intersticial implica a criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância.

Distorção de planos

DEFEITOS PONTUAISINTERSTICIAIS

DEFEITOS PONTUAISSCHOTTKYPresentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas;Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion;Vazios (vacâncias/lacunas) e Schottky favorecem a difusão.

Defeito FrenkelDefeito Schottky

FRENKELOcorre em sólidos iônicos, quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício.

DEFEITOS PONTUAIS

DEFEITOS PONTUAIS

SUBSTITUCIONAIS:Quando um átomo da rede cristalina é substituído por outro de tamanho diferente.

DEFEITOS PONTUAISIMPUREZAS EM SÓLIDOS

• Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes

99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3

• A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais

IMPUREZAS EM SÓLIDOS• 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 gerar propriedades específicas nos materiais.

• Adição de impurezas : solução sólida (menor limite de solubilidade); formação de 2a fase (maior limite de solubilidade).

• 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.

SOLUÇÕES SÓLIDAS

A solubilidade depende :

Temperatura

Tipo de impureza

Concentração da impurezaSubstitucionais

Ex. Cu em NiIntersticiaisEx. C em Fe

A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantidae não formam-se novas estruturas

As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas

semelhantes

Dois ou mais elementos dispersos em uma única fase.

SOLUÇÕES SÓLIDASSUBSTITUCIONAL: átomos do solvente substituídos por átomos do soluto no reticulado;a estrutura do solvente não muda, mas se deforma;

SubstitucionaisEx. Cu em Ni

IntersticiaisEx. C em Fe

TIPOS DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL

SUBSTITUCIONAL ORDENADA

SUBSTITUCIONAL DESORDENADA

SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL

FATORES QUE INFLUEM NA FORMAÇÃO DE SOLUÇÕESSÓLIDASSUBSTITUCIONAISREGRA DE HOME-ROTHERY

• Raio atômico deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase

• Estrutura cristalina mesma• Eletronegatividade próximas• Valência mesma ou maior que a do

hospedeiro


EXEMPLO• Cu + Ni são solúveis em todas as

proporções Cu Ni

Raio atômico 0,128nm=1,28 A 0,125 nm=1,25A

Estrutura CFC CFC

Eletronegatividade 1,9 1,8

Valência +1 (as vezes +2) +2


Cu 0,1278 CFC 1,9 +2Ag 0,1445 CFC 1,9 +1Al 0,1431 CFC 1,5 +3Co 0,1253 HEX 1,8 +2Cr 0,1249 CCC 1,6 +3Fe 0,1241 CCC 1,8 +2Ni 0,1246 CFC 1,8 +2Pd 0,1376 CFC 2,2 +2Zn 0,1332 HEX 1,6 +2

Elemento Raio atômico(nm) Estrutura Eletro

negatividade Valência

1) Mais Al ou Ag em Zn?

2) Mais Zn ou Al em Cu?

Solubilidades desprezíveis, estruturas diferentes.Al maior valência, mais solúvel.

Al (CFC), Zn (Hex). Al mais solúvel.


1

1 2

% x 100mpm m

mi = massa do componente i

1

1 2

% x 100m

m m

natn n

nmi = número de moles do componente i

Porcentagem em peso (%p)

Porcentagem atômica (%at)

SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL

• Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios

• 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

SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL

Fe + C solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 910 oC (Fe CFC)

O C tem raio atômico bastante pequeno se comparado com o Fe

rC= 0,071 nm= 0,71 A

rFe= 0,124 nm= 1,24 A

O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura próxima da transformação alotrópica?

SOLUÇÃO SÓLIDASEGUNDA FASE

Soluções sólidas com altas concentrações do soluto

Segunda faseDiferente composiçãoDiferente estrutura

FASE – porção do sistema físico, quimicamente homogêneo separada das demais por uma interface.

DEFEITOS LINEARESDISCORDÂNCIAS• As discordâncias estão associadas com a

cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais)

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

• Podem ser:- Cunha- Hélice- Mista

DISCORDÂNCIA EM CUNHA• Envolve um SEMI-plano extra de átomos• O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da

discordância• Envolve zonas de tração e compressão

DEFEITOS LINEARESDISCORDÂNCIA EM CUNHA

Regiões de tração e compressão ao redor da discordância

Interação entre discordâncias

Repulsão

Atração e aniquilamen

to

INTERAÇÃO ENTRE DISCORDÂNCIAS

DISCORDÂNCIA EM CUNHAVETOR DE BURGER (b)

• Dá a magnitude e a direção de distorção da rede

• Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância

DEFEITOS LINEARESDISCORDANCIA EM HÉLICE• Produz distorção na rede• O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância

DEFEITOS LINEARESDISCORDANCIA MISTAÉ o tipo mais provável de discordância e corresponde à mistura de discordâncias de aresta e espiral.

Discordâncias de aresta ou em espiral raramente ocorrem separadamente.

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

DEFEITOS LINEARESDISCORDANCIA

MET – Ti – 51.450x

ATAQUE “ETCH PITS” – LiF – 750x


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

• 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• As discordâncias contribuem para a deformação plástica

•O que provoca a movimentação das discordâncias é a tensão cisalhante atuante no plano e na direção de deslizamento. Mesmo que a tensão aplicada ao material seja uma tensão normal, ela vai possuir uma componente cisalhante que atua no plano da discordância. Quando esta tensão cisalhante atingir um valor crítico, a discordância começará a se movimentar no plano e na direção. O valor crítico de pende do material e do sistema de deslizamento considerado (plano e direção).

DEFEITOS DE SUPERFÍCIESCONTORNOS DE GRÃO


Os contornos de grão são regiões repletas de defeitos cristalinos, tais como lacunas e discordâncias. Constituem obstáculos ao deslizamento de discordâncias responsável pela deformação plástica e à propagação de trincas. Dessa forma, quanto mais contornos de grão, mais resistente à deformação e mais tenaz fica o material metálico. Por isso, o refino de grãos constitui um eficiente mecanismo de aumento da resistência e da tenacidade. A movimentação dos átomos (difusão) pelos contornos de grão é também mais rápida, devido à alta densidade de lacunas.

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


• 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•A 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 DE GRÃO .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL

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

• O tamanho de grão é controladoO tamanho de grão é controlado- Composição química- Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação

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