5 - imperfeicoes nos solidos

7/30/2019 5 - Imperfeicoes Nos Solidos

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Materiais para Engenharia

Imperfeies nos slidos

Prof. Marcelo Elias - Eng. Mecatrnica


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Introduo

Todos os materiais contm inmeros defeitos ouimperfeies (Callister, 7a)

Por defeito cristalino, entende-se uma irregularidade narede tendo uma ou mais de suas dimenses da ordemde um dimetro atmico (Callister, 7a)

As propriedades de alguns materiais so profundamenteinfluenciadas pela presena destas imperfeies(Callister, 7a)

Existem falhas na estrutura cristalina devido aproblema de empacotamento atmico (conformao doreticulado cristalino) durante o processo de fabricaode um material.


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Solidificao resultado do resfriamento de um material

fundido. 2 etapas:

Formao do ncleo Crescimento do ncleo e formao de cristais

estrutura dos gros Comea com um material fundido todo no estado lquido

Adapted from Fig.4.14 (b), Callister 7e.

Cristais crescem at se encontrarem.

ncleo Crescimento cristais Contornos de gro

lquido


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Tipos de Imperfeies

Lacunas tomos intersticiais tomos substitucionais

Defeitos pontuais

Deslocamentos Defeitos de linha

Contornos de gro Defeitos de rea

Descontinuidades localizadas nos arranjosatmicos ou inicos, teoricamenteconsiderados perfeitos, de uma estrutura

cristalina.


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1. Defeitos Pontuais 1.1 Lacunas

Falta de um ou mais tomos no reticulado cristalino =defeito de lacuna(s)

Reduz a resistncia e estabilidade da rede cristalina.

Lacunadistortionof planes


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Podem ter origem de um empacotamento imperfeito durantea solidificao do cristal ou

Das vibraes trmicas dos tomos em temperatura elevada

Poucos existem a Tamb,mas a quantidadeaumenta com o aumentoda temperatura, (equaode Arrhenius)

Lacuna

=RT

Q

v

v

enn .


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1.2 Defeitos Auto-intersticiais tomos extras se posicionam entre planos de tomos. Quando o fator de empacotamento atmico for baixo. Produzem uma distoro no reticulado, j que o tomo

geralmente maior que o espao do interstcio.

Auto-

interstciodistortionof planes


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2. Impurezas nos slidos

Alguns metais, usados comercialmente em aplicaes de engenharia,so puros (99,999%).

Exemplo: Cobre condutor de eletricidade; Zinco camada que cobre o ao galvanizado Al2O3 velas de ignio

Mas impurezas ou tomos diferentes estaro sempre presentes ealguns iro existir como defeitos pontuais no cristal (Callister, 7)

s vezes vantajoso e se faz a incluso de impurezasintencionalmente para melhorar as propriedades.

Liga metlica consiste na adio de um ou mais tipos de tomometlico (soluto) em um metal puro (solvente) com a finalidade deaumentar a resistncia mecnica deste ou lhe conferir determinadas

propriedades especiais (resistncia a corroso, aumentarcondutividade eltrica, etc).


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Tipos de solues slidas:

Substitucional: tomo(s) do soluto ir(o) substituir tomo(s) do solvente.

Exemplos:

Lato: Cu Zn

Monel: Cu Ni 65-70% Ni + 20-30% Cu + outros elementos (Fe, Mn, Si,

S, Ti e Al)

Possuem alta resistncia mecnica e alta resistncia

corroso atmosfrica, aos cidos e lcalis e guasalgada.

Tm ponto de fuso bastante elevado, por volta de2.400C.

Substituem o ao inox nas industrias qumicas,petrolferas e navais.


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Intersticial: Os tomos do soluto iro ocupar os vazios no reticulado

cristalino dos tomos do solvente. Exemplos:

Ao: C Fe (Qdo aquecido, 912C, Fe passa a ser

CFC, onde o tomo de C se aloja no centro). Ao Inox: C, Cr, Ni Fe


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tomo de C dissolvidointersticialmente em uma posiotipo 0 na estrutura CCC deum Fe-


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Condies para criao de uma soluo slida Regra deHume-Rothery Menos de cerca de 15% de diferena nos raios atmicos.

De outra forma, os tomos do soluto iro criar distoressubstanciais na rede e uma nova fase ir se formar.

Devem possuir a mesma estrutura cristalina.

Eletronegatividades semelhantes (capacidade de umtomo atrair eltrons). Se forem diferentes, maior aprobabilidade de eles formarem um composto

intermetlico. A mesma valncia.

Se uma ou mais das regras de Hume-Rothery forem violadas,somente uma solubilidade parcial ser possvel.


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Cu e Ni satisfazem a 1, 2 e 3 regra de Hume-Rothery para solubilidade completa dos slidos.rcu = 0,128 nmrNi

= 0,125 nm% diferena = (0,128-0,125)/0,128 = 2,3% < 15%

Pela tabela, ambos possuem estrutura CFC e sopositivos.


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Quo maior o tomo de C no Fe ?

a = tamanho da aresta

R = raio de 1 tomo de Fe

Rar =2

1ointerstici

RaaR 3

4

34 ==RRRr 1547,0

3

4.

2

1ointerstici ==

R = 0,124 nm (ferro) tabela

rintersticio = 0,1547 x 0,124 = 0,0192 nm

Na tabela, rcarbono = 0,077 nm

01,40192,0077,0

ntersticio

==

i

carbono

rr

O tomo de C aproximadamente 4 vezes maior do que deveria ser para caber

ao lado dos tomos de ferro adjacentes sem gerar tenso. A severa distorolocal exigida para essa acomodao leva baixa solubilidade do C no Fe


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3. Defeitos de linha ou lineares a presena ou falta de um ou mais planos de tomos

Discordncia(s) Discordncia um defeito linear ou unidimensional

entorno do qual alguns dos tomos esto desalinhados(Callester, 7)

O escorregamento entre planos cristalinos ocorre quando asdiscordncias se movem, produzindo deformao permanente(plstica).

Antes da deformao Depois do alongamentodevido tenso

Etapas doescorregamentoAdapted from Fig. 7.8, Callister 7e.

Para o Zn, HC


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3.1 Aresta ou Cunha

Descrita como a aresta de um plano atmico extra na estrutura

cristalina. Zonas de trao e compresso acompanham este tipo de

discordncia. A distncia de deslocamento dos tomos ao

redor da discordncia denominada vetor de

Burgers ou de deslizamento

Ele fornece a magnitude e direo da distoro

da rede

Este vetor perpendicular linha da

discordncia em cunha Consequncia: criao de foras repulsivas e

atrativas.


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3.2 Espiral ou Helicoidal A designao 'hlice' para esse defeito do reticulado deriva do fato de

que os planos do reticulado do cristal formam uma espiral na linha dadiscordncia.

Deslocamento ou vetor de Burgers paralelo ao defeito de linha. Consequncia: criao de foras de cisalhamento.


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3.3 Misto A maioria das discordncias encontradas nos

materiais cristalinos uma mistura das 2 anteriores.

Cunha

Espiral

Misto


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Discordncias so visveis emmicrografia eletrnica. Ampliao

de 51.450X de uma liga de titnioAdapted from Fig. 4.6, Callister 7e.


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Observao das Discordncias

Diretamente MET (TEM) ou HRTEM

Indiretamente MEV (SEM) e microscopia

ptica (aps ataque qumico seletivo) MET: Microscopia Eletrnica de Transmisso ou TEM

(transmission electron microscopy) HRMET: High Resolution Electron Microscopy (Microscopia

Eletrnica de Transmisso de Alta resoluo). MEV: Microscopia Eletrnica de Varredura ou SEM

(Scanning Electron Microscopy)


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Discordncias no MET


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Figura de ataque produzida na

discordncia vista no MEV

Plano (111) do InSbPlano (111) do GaSb


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4. Defeitos interfaciais

As imperfeies cristalinas podem se estender emduas dimenses como em uma fronteira.

Tipos: Superfcies externas; Contornos de gro; Contornos de maclas; Falhas de empilhamento; Contornos de fase.


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Superfcies externas As superfcies externas do material representam

interfaces nas quais o cristal termina abruptamente. Cadatomo da superfcie livre deixa de ter o nmero decoordenao caracterstico da sua estrutura e as ligaes

atmicas esto rompidas (Askeland). Os tomos esto em um estado de energia maior do que

os tomos nas posies interiores. As ligaes deles na superfcie que no esto completas

do origem a uma energia de superfcie. Para reduz-la, os materiais tendem a minimizar, se isso

for possvel, a rea total da sua superfcie exemplo: oslquidos que assumem forma esfrica.


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Contornos de gro Zonas de transio entre regies de clulas unitriasde mesma orientao ou

Contorno que separa dois pequenos gros ou

cristais que possuem diferentes orientaescristalogrficas em materiais policristalinos(Callister, 7a).

Corresponde regio que separa dois ou mais

cristais de orientao diferente. No interior de cada gro todos os tomos esto

arranjados segundo um nico modelo e nicaorientao, caracterizada pela clula unitria


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FORMAO DOS GROS

A forma do gro controlada: Pela presena dos gros

circunvizinhos. O tamanho de gro

controlado

Composio Taxa de cristalizao ousolidificao

H um empacotamento

atmico menos eficiente; H uma energia mais elevada(interface). Favorece a nucleao de

novas fases (segregao) Favorece a difuso


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ngulos entre contornos de gro

Contornos de baixongulo - ocorrequando a

desorientao doscristais pequena formado pelo

alinhamento de

discordncias


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Discordncia e Contorno de Gro

A passagem de uma discordncia atravs docontorno de gro requer energia

DISCORDNCIA

O contorno de gro ancora o movimento das discordncia poisconstitui um obstculo para a passagem da mesma, LOGO

QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRO.........A RESISTNCIA DO MATERIAL


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Um dos mtodos de controle das propriedades de um metal

consiste no ajuste do tamanho dos gros. Reduzindo o tamanho destes, aumenta-se a quantidade total

das reas de contornos de gro. Desta forma, qualquerdiscordncia ir se mover apenas por uma curta distnciaantes de encontrar um contorno de gro e ser bloqueada.Esse bloqueio do movimento das discordncias eleva aresistncia do material metlico.

A equao de Hall-Petch relaciona o tamanho dos gros como limite de escoamento.

y limite de escoamento (tenso mnimanecessria para causar deformaopermanente)

D = dimetro mdio dos gros

0 e K constantes do metal.

2/1

0

+= Kdy


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Exemplo

O limite de escoamento de um ao, com baixo teor de

carbono e tamanho de gro mdio de 0,05 mm, de 137,9MPa. Se considerarmos o mesmo ao com um tamanho degro de 0,007 mm, esse limite ser de 275,8 MPa. Qual sero tamanho mdio de gro desse ao-carbono com um limitede escoamento de 206,85 MPa? Considere que a equao deHall-Petch valida e que alteraes no limite de escoamentoobservadas devem-se apenas s mudanas no tamanho dogro.


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Soluo ... Como no foi dado os valores de 0 e K, precisamos determin-los

inicialmente. Sabemos que:

)1.....(

05,0

9,1370

K+= )2.....(

007,0

8,275 0K

+=

2/1.43,185,55

+= dy

Com um tamanho de gro de 0,05mm, o limite de escoamento ser

de 137,9 MPa. Levando naequao de Hall-Petch, teremos:

Com um tamanho de gro de 0,007mm, o limite de escoamento ser de

206,85 MPa. Levando na equaode Hall-Petch, teremos:

(1) (2) teremos: K = 18,43 MPa-mm1/2 e 0 = 55,5 MPaTemos a equao de Hall-Petch da seguinte forma:Para um limite de escoamento de 206,85 MPa, o tamanho do gro terde ser 14,8 m.


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Visualizao dos contornos de gro ...

So imperfeies, So mais suscetveis ao

ataque,

Podem ser revelados comolinhas escuras, mudam a orientao do cristal

ao longo do contorno.

Adapted from Fig. 4.14(a)and (b), Callister 7e.(Fig. 4.14(b) is courtesyof L.C. Smith and C. Brady,

the National Bureau ofStandards, Washington, DC[now the National Institute ofStandards and Technology,Gaithersburg, MD].)

ASTM grainsize number

N= 2n-1

number of grains/in2at 100xmagnification

Fe-Cr alloy

(b)

grain boundary

surface groove

polished surface

(a)


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Quanto mais contornos de gro possuir o material, maior ser sua resistncia(+ duro)

Os gros so falhas. Quando o material inicia seu mecanismo de deformao,estas falhas impedem a continuidade delas.


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Ao 1020 Recozido - Estrutura Ferrtica-Perltica (aumento de 100 x) DCMM PUC/RJ

http://www.dema.puc-rio.br/bancodeimagens/index.html


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Contornos de Macla uma variao do contorno de gro, atravs do qual existe uma

simetria espelhada especfica da rede cristalina. Podem ser produzidas por mecanismos de deformao

(cisalhamento) em metais CCC e HC e por tratamentos trmicos(recozimento em metais CFC)

Adapted from Fig. 4.9, Callister 7e.


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Callister, 7a edio. Capitulo 4:

Itens 4.1 ao 4.3; 4.5 e 4.6; 4.9 ao 4.11.

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