aula 01 - imperfeicoes nos solidos

8/4/2019 Aula 01 - Imperfeicoes Nos Solidos

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Imperfeies nos slidos

MsC. Andr Galdino

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Critrio de avaliao:

O aproveitamento escolar ser aferido por 2avaliaes semestrais:

A1

- Nota da 1 avaliao;

A2 - Nota da 2 avaliao;

MF: Mdia final onde MF =(A1 + A2)/2

Critrio de nota: Se MF 6,0 o aluno est aprovado.

Se MF < 6,0 o aluno est reprovado.

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Datas das avaliaes:

A1 21/10/2010 (turma manh)

26/10/2010 (turma noite)

A2 16/12/2010 (turma manh)

14/12/2010 (turma noite)

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Freqncia:

Total de horas-aula no semestre: 40h

Quantidade mnima de horas para aprovao

por presena: 75%

Quantidade mxima de horas para aprovao

por presena: 25%

Total de horas de ausncia para aprovaopor presena: 10h (equivalente a 5 dias deaula).

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Questes conceituais:

Que tipos de defeitos aparecem nos slidos?

O nmero e o tipo de defeitos podem servariados e controlados?

Como os defeitos afetam as propriedades dos

materiais?

Os defeitos so indesejveis?5


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1. Introduo:

Por que estudar imperfeies em slidos?

Propriedades so influenciadas profundamentepela presena de imperfeies.

O que um defeito cristalino?

uma irregularidade na rede cristalina com uma

ou mais das suas dimenses na ordem de umdimetro atmico.

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A classificao de imperfeies cristalinas feitafrequentemente de acordo com a geometria oudimensionalidade do defeito.

Os principais tipos de defeitos so:

Pontuais;

Impurezas;

Lineares;

Interfaciais ou de contornos.7


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2. Imperfeies pontuais:

As imperfeies pontuais podem ser:

a) Vazios ou lacunas;

b) Defeitos de Schottky;

c) Defeitos intersticiais;

d) Defeitos de Frenkel.

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Vazios: o defeito pontual mais simples.

Envolve a falta de um tomo dentro de um metal.

Resultam de empacotamento imperfeito durantea cristalizao ou das vibraes trmicas dostomos em temperaturas elevadas.

Podem ser simples, ou com dois ou mais deles

condensando para formar vazios duplos outriplos.

Facilitam a difuso atmica.

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Vacancydistortion

of planes

Distorodos planos

Vazio

Figura 1 Exemplo de vazio numa estrutura cristalina.


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Defeitos de Schottky: esto intimamenterelacionados com vazios, mas so encontradosem compostos que devem manter um balano de

carga. Envolvem vazios de par de ons de cargas

opostas.

Facilitam a difuso atmica.

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Defeitos de Frenkel: Quando um tomo deslocado de sua posio no reticulado para uminterstcio.

As estruturas de empacotamento fechado tmmenor nmero de defeitos intersticiais e defeitosde Frenkel do que de vazios e defeitos de

Shocttky, porque necessria uma energiaadicional a fim de forar os tomos para novasposies.

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Defeito deSchottky

Defeito deFrenkel

Figura 2 Exemplos de defeitos Schottky e de Frenkel.


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Defeitos intersticiais: Quando um tomo extra sealoja em uma estrutura cristalina,particularmente quando o fator de

empacotamento atmico for baixo.

Produz uma distoro no reticulado, a no ser

que o tomo intersticial seja menor que ostomos restantes do cristal.

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self-

interstitialdistortionof planes

DefeitointersticialDistoro

dos planos

Figura 3 Exemplo de defeito intersticial.


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3. Impureza em slidos:

Um metal puro que consista em apenas um tipode tomo simplesmente impossvel; impurezasou tomos estranhos estaro sempre presentes, e

alguns iro existir como defeitos cristalinospontuais.

Na realidade, difcil refinar metais at umapureza que seja superior a 99,9999%.

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Os metais mais familiares no so altamentepuros; ao contrrio, eles so ligas, nas quais ostomos de impureza foram adicionados

intencionalmente para conferir caractersticasespecficas ao material.

Exemplos: Ao liga Fe-C

Bronze

Liga Cu-SnLato Liga Cu-Zn

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Soluo slida: a mistura completa de tomosde dois ou mais metais, que ocorre durante a faselquida, e que continua quando eles passam para

o estado slido.

As solues slidas podem ser: substitucionais ou

intersticiais.

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Figura 4 Exemplo de impureza em um sistema cristalino.


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Com relao s ligas, comum usar os termossoluto e solvente.

Solvente: representa o elemento ou compostoque est presente em maior quantidade (tambmchamados de tomos hospedeiros);

Soluto: representa um elemento ou compostoque est presente em menor concentrao.

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Exemplo: Ao de alto carbono (0,6%C1,0).

Solvente: Ferro (99%)

Soluto: Carbono (1%)

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Figura 5 Ponte metlica (Brooklyn) feita em ao de altocarbono.


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3.1. Soluo slida substitucional:

Quando dois metais se misturam para formaruma soluo slida, os tomos do soluto podemsubstituir uma frao dos tomos da matriz.

Existem vrias caractersticas dos tomos dosoluto e do solvente que determinam o grau

segundo o primeiro se dissolve no segundo. Soestas:

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1. Fator do tamanho atmico: Quantidadesapreciveis de um soluto podem seracomodadas neste tipo de soluo slida

somente quando a diferena entre os raiosatmicos dos dois tipos de tomos menor doque aproximadamente 15%.

De outra forma, os tomos iro criar distoressubstanciais na rede cristalina e uma nova fase irse formar;

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2. Estrutura cristalina: Para que a solubilidade dosslidos seja aprecivel, as estruturas cristalinaspara os metais de ambos os tipos de tomos

devem ser as mesmas;3. Eletronegatividade: Quanto mais eletropositivo

for um elemento e mais eletronegativo for o

outro, maior a tendncia de que eles venhama formar um composto intermetlico em lugarde uma soluo slida substitucional;

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4. Valncias: Sendo iguais todos os demais fatores,um metal ter uma maior tendncia de dissolverum outro metal de maior valncia do que um de

menor valncia.

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Figura 6 Soluo slida substitucional ao acaso. O arranjo

cristalino no alterado.


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Exemplo: O lato (liga constituda de cobre ezinco) uma soluo slida de que tipo?

Item 1: Fator do tamanho atmico

RCu = 0,1278 nm e RZn = 0,1332 nm

Solvente: Cobre e Soluto: Zinco

Limite inferior = RCu

0,15. RCu Limite inferior = 0,1086 nm

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Limite superior = RCu + 0,15. RCu Limite superior = 0,1469 nm

Intervalo: 0,1086 a 0,1469 nm

Raio do zinco: 0,1332 nm (ok!) Item 2: Estrutura do Cu = CFC

Estrutura do Zn = HC

CFC nmero de coordenao = 12 e FEA = 0,74 HC nmero de coordenao = 12 e FEA = 0,74

(ok!)27


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Item 3: Cu Famlia 1B; linha 4(Eletronegatividade = 1,9)

Zn Famlia 2B, linha 4

(Eletronegatividade = 1,65) Ambos eletropositivos (ok!)

Item 4: Valncia mais comum Cu = +1

Valncia mais comum Zn = +2 Valncias prximas; Cu dissolve Zn (ok!)

Concluso: Soluo slida substitucional.28


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3.2. Soluo slida intersticial:

Quando dois metais se misturam para formaruma soluo slida, os tomos do soluto podemse alojar nos espaos existentes (vazios) do

solvente ou matriz.

Para materiais metlicos que possuem fatores de

empacotamento atmico relativamente elevados,essas posies intersticiais so relativamentepequenas.

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Figura 7 Soluo slida intersticial do carbono na austenita.


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Conseqentemente, o dimetro atmico de umaimpureza intersticial deve ser substancialmentemenor do que o dimetro dos tomos

hospedeiros.

Normalmente, a concentrao mxima

permissvel para os tomos de impurezaintersticial baixa (inferior a 10%).

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Mesmo os tomos de impurezas muito pequenosso geralmente maiores do que os stiosintersticiais, e como conseqncia eles

introduzem alguma deformao na rede cristalinasobre os tomos hospedeiros adjacentes.

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Ferro carbono

Temperatura

(C) Estrutura

Raio

Fe(nm)

Intersticial SubstitucionalRaio do

carbono

a 15 C(grafite)

(nm)

Raio do

vo

Octadrico

(nm)

Raio do vo

Tetradrico

(nm)

Raio do Fe

( 15%)

(nm)

500 CCC 0,1241 0,019 0,036 0,105 0,1430,071

1000 CFC 0,129 0,053 0,029 0,110 0,148

Tabela 1 Comparao entre tomos de ferro e carbono.


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No ferro, a estrutura cbica de faces centradas(CFC) mais compacta que a estrutura cbica decorpo centrado (CCC).

A estrutura CFC apresenta vos maiores, para oalojamento do carbono intersticial do que a

estrutura CCC.

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Figura 8 Diagrama de fases do sistema Fe-C.

CFC

CCC


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4. Imperfeies de linha:

O tipo mais comum de defeito de linha nointerior de um cristal uma discordncia(dislocation).

As discordncias podem ser:

Em cunha (aresta);

Helicoidal (espiral); Mista.

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Discordncias em cunha (aresta): So descritascomo a aresta de um plano atmico extra naestrutura cristalina.

Zonas de compresso e de trao acompanhamuma discordncia em cunha, de forma que h umaumento de energia ao longo da discordncia.

A distncia de deslocamento dos tomos emtorno da discordncia denominada vetor deburgers, e perpendicular linha da discordnciaem cunha.

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Plano extra cujaaresta termina nointerior do cristal.

Figura 9 Discordncia em cunha.


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Discordncias helicoidais (espirais): tem seudeslocamento (vetor e burgers) paralelo aodefeito de linha.

Tenses de cisalhamento esto associadas aostomos adjacentes.

Assim como nas discordncias em cunha,tambm temos um aumento de energia.

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Figura 10 Discordncia em hlice.


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Discordncias mistas: so aquelas que exibemcomponentes caractersticos das discordnciasem cunha e helicoidais.

A maioria das discordncias encontradas emmateriais cristalinos do tipo mista.

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Figura 11 Discordncia mista.


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Discordncias em hlice nasuperfcie de um monocristal de

SiC. As linhas escurasso degraus de escorregamento

superficiais.

Discordncias vistas atravs de

microscopia eletrnica detransmisso (liga de titnio).

Figura 12 Micrografias de discordncias.


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5. Defeitos interfaciais:

So contornos que possuem duas dimenses enormalmente separam as regies dos materiaisque possuem diferentes estruturas cristalinas

e/ou orientaes cristalogrficas.

Entre elas, podemos citar: as superfcies externas,

os contornos de gros, contornos de macla,falhas de empilhamento e os contornos de fases.

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5.1. Superfcies externas:

Acontece ao longo da qual termina a estrutura docristal.

Os tomos da superfcie no esto ligados ao

nmero mximo de vizinhos mais prximos, eesto, portanto, em um estado de maior energiado que os tomos nas posies inferiores.

As ligaes desses tomos da superfcie que noesto completadas do origem a uma energia porunidade de rea (J/m2).

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Para reduzir esta energia, os materiais tendem aminimizar, se isto for de todo possvel, a reatotal da superfcie.

Exemplo: os lquidos assumem uma forma quepossui rea mnima (gotculas esfricas), o que

no possvel nos slidos, que somecanicamente rgidos.

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5.2. Contornos de gros:

o contorno que separa dois pequenos gros oucristais que possuem diferentes orientaescristalogrficas em materiais policristalinos.

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Figura 13 Diagrama esquemtico mostrando contornos degro de baixo e de alto ngulo, assim como as posiesatmicas adjacentes.


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Figura 14 Contornos de gros para o ao AISI 1548.


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5.3. Contornos de macla:

um tipo especial de contorno de groatravs do qual existe uma simetria espelhadaespecfica da rede cristalina; ou seja, os

tomos em um dos lados do contorno estolocalizados em posies de imagem emespelho em relao aos tomos no outro lado

do contorno. A regio de material entre esses contornos

chamada apropriadamente de macla.

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Figura 15 Diagrama esquemtico mostrando um plano oucontorno de macla e as posies atmicas adjacentes(crculos).


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Questes conceituais:

Que tipos de defeitos aparecem nos slidos?

O nmero e o tipo de defeitos podem ser

variados e controlados?

Como os defeitos afetam as propriedades dos

materiais?

Os defeitos so indesejveis?52


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Assunto da prxima aula:

Difuso atmica.

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Referncias bibliogrficas:

Callister Jr., W. D. Cincia e Engenharia deMaterias Uma Introduo 5 edio. Rio deJaneiro, RJ: LTC Livros Tcnicos e Cientficos

Editora S. A., 2002, 589 p., pp. 45

55.

Van Vlack, L. H. Princpios de Cincia dos

Materiais 3 edio. So Paulo, SP: Editora EdgardBlucher Ltda., 1977, 427p., pp. 79 91.

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