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DEFEITOS CRISTALINOSConceitos Gerais
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CAPA 1
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CAPA 2
1 – Defeitos atômicos usados para reduzir a emissão de poluentes2 – Conversor catalítico – poluente é retido pelo material que tem esta capacidade em função da geração de Defeitos
(d) Imagem em alta resolução TEM do defeito(c)Substrato cerâmico onde o conversor é depositad(b)Esquema do dispositivo(a) Representação do local onde odispositvo é instalado
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Defeitos
DIMENSÃO
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Imperfeições nos sólidos
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Defeito 1
Defeito 2
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DEFEITOS EM CRISTAIS
Ordem
Desordem
Material Policristalino
Conceito de perfeição Presença de defeitos
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DEFINIÇÃO
Defeito cristalino: imperfeição do reticulado cristalino
• Classificação dos defeitos cristalinos:
• Defeitos puntiformes (associados com uma ou duas posições
atômicas): lacunas e átomos intersticiais.
• Defeitos de linha (defeitos unidimensionais): discordâncias
• Defeitos bidimensionais (fronteiras entre duas regiões com
diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações
cristalográficas): contornos de grão, interfaces, superfícies
livres, contornos de macla, defeitos de empilhamento.
• Defeitos volumétricos (defeitos tridimensionais): poros, trincas
e inclusões.
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Defeitos Pontuais - Motivos
• Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal real estão sempre
vibrando.
• Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a chance de
átomos saírem de suas posições, deixando um vazio em seu lugar.
• Por outro lado, dentro da rede cristalina existem inúmeros interstícios,
espaços vazios entre os átomos, nos quais é possível alojar outros átomos.
• Finalmente, é praticamente impossível obter um material infinitamente
puro. Sempre haverá impurezas presentes na rede cristalina.
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Defeitos Pontuais – Lacunas/Intersticial
LACUNA AUTO INTERSTICIAL
• Lacuna (“vacancy”) Vazios ou
Vacâncias : ausência de um átomo em
um ponto do reticulado cristalino.
• Existe uma concentração de equilíbrio
de lacunas.
• São formados durante a solidificação
em cristais ou como resultado das
vibrações atômicas
onde:
N = número total de posições atômicas
NL =número de lacunas
QL =energia de ativação para formação
k =constante de Boltzmann
T = temperatura absoluta
• Auto-intersticial: é um átomo extra que
ocupa um interstício da estrutura cristalina.
• Os defeitos auto-intersticiais causam uma
grande distorção do reticulado cristalino a
sua volta.
• A formação de um defeito intersticial
implica na criação de uma vacância, por
isso este defeito é menos provável que
uma vacância
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Defeitos Pontuais – Impurezas
• É impossível existir um metal consistindo de um só tipo de átomo (metal puro).
• As técnicas de refino atualmente disponíveis permitem obter metais com um
grau de pureza no máximo de 99,9999%.
99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3
• Impurezas poderão assumir dois tipos de posição na rede cristalina de outro
material
Interstícios - espaços vazios na rede
Substituindo - um átomo do material
Impureza intersticial - um exemplo
Fundamental Carbono em α-Ferro
(aço)
• Solução sólida substitucional: os
átomos de soluto substituem uma
parte dos átomos de solvente no
reticulado.
• Solução sólida intersticial: os
átomos de soluto ocupam os
interstícios existentes no reticulado.
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Defeitos Pontuais – Influência na estrutura cristalina
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Defeitos Pontuais – Ligas Metálicas
As impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas
intencionalmente com a finalidade:
aumentar a resistência mecânica aumentar a resistência à corrosão
Aumentar a condutividade elétrica Etc.
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Solução Sólida – ex solução líquida
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Solução Sólida – Substitucional
• 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
FATORES QUE INFLUEM NA FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES
SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS
REGRA DE HOME-ROTHERY
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Solução Sólida – Substitucional (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
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Solução Sólida – Substitucional (exemplo)
• Cu + Ni são solúveis em todas as proporções
A liga CuNi 90/10 é de aplicação
extremamente versátil, que combina
excelente resistência a corrosão por água
marinha, aliado a boas características de
propriedades mecânicas além de alta
ductilidade, a liga contém
aproximadamente 10% de Níquel, com
pequenas adições de ferro e manganês
com o propósito de aumentar a
resistência á água salgada e a erosão
proveniente da areia transportada pela
água, os materiais podem ser
apresentados na forma de barras, tubos,
curvas, e conexões,
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Solução Sólida – Substitucional (exemplo)
• Cu + Ni são solúveis em todas as proporções
Além das aplicações, em plataformas
OFF-SHORE, existem ainda aplicações
em navios de pesca, em empresas de
Energia Elétrica e também em indústrias
químicas. Os equipamentos normalmente
fabricados são condensadores e
trocadores de calor, tubos para condução
de água salgada, centrais de destilação e
o revestimento dos porões nos navios de
pesca onde as qualidades anti-corrosivas
do aço UNS C70600 são comprovadas.
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Solução Sólida – Substitucional (exemplo)
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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
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Solução Sólida – Intersticial (exemplo)
• Fe + C solubilidade máxima do C no
Fe é 2,1% a 910 C (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?
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Ligas e Joalheria
Mas porque ligamos o ouro?
- As propriedades físicas e mecânicas do material são alteradas,
- o preço do material diminui,
- e a cor sofre alteração.
Variando-se as proporções de cobre e prata em uma liga de ouro 750 (18k), obtemos
diversas tonalidades:
-Ouro verde: apenas prata ou grande porcentagem
-Ouro pálido: proporção maior de prata que de cobre
-Ouro amarelo: quantidades de prata e cobre proporcionais
-Ouro vermelho: apenas cobre (ou grande porcentagem deste na liga).
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Defeitos Pontuais – Sólidos Iônicos
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Solução Sólida
X
Formação de uma segunda fase
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Defeitos Lineares
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.
Ou seja, Estes defeitos ocorrem em alta densidade e são muito importante quanto as
propriedades mecânicas dos materiais.
Discordâncias são mudanças abruptas na ordem regular dos átomos ao longo de uma
linha (linha de discordância) no sólido.
Existe uma linha separando a seção perfeita, da seção deformada do material. São
responsáveis pelo comportamento mecânico dos materiais quando submetidos a
cisalhamento.
As discordâncias podem ser em aresta, em espirais ou como uma combinação das duas
(mista)
Discordância em linha ou cunha (edge dislocation)
Discordância em hélice ou espiral (screw dislocation)
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Defeitos Lineares
Dá a magnitude e a direção de distorção da rede
Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância
VETOR DE BURGER (b)
Este vetor é encontrado unindo
por uma linha imaginária os
átomos em torno da linha de
discordância (loop) .
Quando este caminho mostra um
espaçamento extra necessário
para encontrar o primeiro e último
átomo, encontramos a dimensão
do vetor de burgers.
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Defeitos Lineares - 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
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Defeitos Lineares - Hélice
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Defeitos Lineares -mista
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Sistemas de deslizamentos
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
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Defeitos Bidimensionais
• Interface: contorno entre duas fases diferentes.
• Contornos de Grão: contornos entre dois cristais sólidos da mesma fase.
• Superfície Externa: superfície entre o cristal e o meio que o circunda
• Contorno de Macla: tipo especial de contorno de grão que separa duas
regiões com uma simetria tipo ”espelho”.
• Falhas de Empilhamento: ocorre nos materiais quando há uma
interrupção na seqüência de empilhamento, por exemplo na seqüência
ABCABCABC.... dos planos compactos dos cristais CFC.
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Defeitos Interface
•É o mais óbvio
•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 está energia
•A energia superficial é expressa em erg/cm2 ou J/m2)Superfície
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Defeitos Contorno de grão
Quando o desalinhamento entre os grãos vizinhos é grande (maior que ~15o), o
contorno formado é chamado contorno de grão de alto ângulo.
• Se o desalinhamento é pequeno (em geral, menor que 5o), o contorno é
chamado contorno de pequeno ângulo, e as regiões que tem essas pequenas
diferenças de orientação são chamadas de subgrãos.
UM CRISTAL = UM 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
Contorno de Grão
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Defeitos Contorno de grão
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Defeitos Contorno de grão
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Defeitos Contorno de grão
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LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO
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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
Discordância e Contorno de Grão
A passagem de uma discordância através do contorno
de grão requer energia
DISCORDÂNCIA
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- Inclusões Impurezas estranhas
- Precipitados são aglomerados de partículas
cuja composição difere da matriz
- Fases forma-se devido à presença de
impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite
de solubilidade é ultrapassado)
- Porosidade origina-se devido a presença ou
formação de gases
Defeitos Volumétricos
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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 800o C. COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO A 1150oC,
POR 120min EM ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO
Porosidade
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Defeitos Volumétricos
Fases
Ferro fundido
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CARACTERÍSTICAS DAS
DISCORDÂNCIAS IMPORTANTES PARA
AS PROPRIEDADES MECÂNICAS
• Quando os metais são deformados plasticamente cerca de 5% da energia é retida internamente, o restante é dissipado na forma de calor.
• A maior parte desta energia armazenada está associada com as tensões associadas às discordâncias
• A presença de discordâncias promove uma distorção da rede cristalina de modo que certas regiões sofrem tensões compressivas e outras tensões de tração.
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INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS
• ATRAÇÃO • REPULSÃO
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Mecanismos de aumento
de resistência dos metais
• Aumento da resistência por adição de elemento de liga
(formação de solução sólida ou precipitação de fases)
• Aumento da resistência por redução do tamanho de
grão
• Aumento da resistência por encruamento
• Aumento da resistência por tratamento térmico
(transformação de fase): será visto posteriormente
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INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM
SOLUÇÕES SÓLIDAS
Quando um átomo de uma impureza esta 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 onstituintes