Faculdade PitágorasUnidade Maceió Imperfeições nos sólidos Profº. Dr. José Atalvanio [email protected] Curso: Engenharia Civil Disciplina: Introdução a ciência dos materiais Período: 3º Turma: C Turno: Noturno Introdução Tem sido assumido que materiais cristalinos apresentam perfeita ordem na escala atômica; No entanto, tais sólidos idealizados são raramente encontrados; Muitos apresentam inúmeros defeitos ou imperfeições. Defeitos cristalinos estão relacionados à irregularidade do retículo; A classificação das imperfeições cristalinas é feita de acordo com a geometria ou dimensionalidade do defeito; Defeitos pontuais (associados a uma ou mais posições atômicas) Vacâncias e auto-intersticial A vacância é o defeito pontual mais simples (ausência de átomos); A síntese de qualquer material sólido apresentará vacância no produto final; A existência das vacâncias é explicada pela termodinâmica: a vacância aumenta a entropia (S) do sistema. vacância Átomo substitucional pequeno Átomo intersticial Átomo substitucional grande um pequeno espaço que em condições normais não é ocupado. . Estão relacionados a um átomo do próprio cristal que está localizado em uma região intersticial.Auto-intersticial Interstícios: espaços vazios entre os átomos do retículo. A formação deste defeito não é altamente provável e ele existe em concentrações muito pequenas. Nos metais. a auto-intersticial introduz grandes distorções nas vizinhanças do retículo devido os átomos serem substancialmente maiores que a posição intersticial na qual está situado. Exemplo: A prata esterlina apresenta 92. são ligas nas quais átomos impuros são adicionados intencionalmente para conferir características específicas do material.5% de liga de cobre. . A liga com cobre melhora significantemente a resistência mecânica sem depreciar a resistência à corrosão. As ligas são usadas nos metais para melhorarem a força e a resistência a corrosão. Em condições ambientes. no entanto. Muitos metais não são altamente puros. é muito mole. a prata é altamente resistente a corrosão.Impurezas nos sólidos Um metal puro nunca terá um único tipo de átomo. Impurezas ou átomos estranhos estarão sempre presentes e alguns existirão como defeitos pontuais cristalinos.5% de prata e 7. Este movimento torna a liga mais dura e forte. Os átomos impuros são randomicamente e uniformemente dispersos no sólido. . Os átomos intersticiais interferem na condutividade elétrica e no movimento dos átomos que formam o material. sólidos ou substituem os átomos átomos Intersticial: os átomos do soluto ocupam os interstícios existentes no retículo. Um segundo cátion monovalente deve ser removido provocando uma vacância. a estrutura cristalina é mantida e nenhuma nova estrutura é formada. Os defeitos pontuais impuros são encontrados nos sólidos de duas formas: Substitucional: impuros hospedeiros. Um cátion bivalente substitui um cátion monovalente.Soluções sólidas Formam-se quando átomos do soluto são adicionados ao material suporte. Uma solução sólida é composicionalmente homogênea. 8 valências: Cu+1 ou Cu+2 e Ni+2 Cobre bruto Níquel bruto .128 nm raio atômico do níquel: 0. são completamente miscíveis um no outro em qualquer proporção. Um exemplo de solução sólida substitucional é o cobre e níquel. Pelas regras de solubilidade: raio atômico do cobre: 0.9 eletronegatividade Ni: 1.125 nm ambos tem estrutura cristalina FCC eletronegatividade Cu: 1. Especificação da composição Há duas maneiras de expressar a concentração ou composição de uma liga em termos de seus elementos constituintes: Porcentagem em peso ou massa (massa %) e porcentagem atômica (p.a. m2 = massa da substância 2. m1 = massa da substância 1. %). porcentagem atômica . A1 = peso atômico do elemento 1. Sendo: C1 = concentração da substância 1. Número de mols em uma massa específica: = massa do elemento 1. Porcentagem em peso ou massa Para calcular a porcentagem atômica faz-se a relação do número de mol de um elemento pelo número de mols total dos elementos da liga. Fatores de conversão: Conversão kg/m3 Densidade e peso atômico . . Na região da linha de deslocamento há alguma distorção do retículo. Deslocamentos de aresta/Deslocamentos lineares: são um defeito linear que centra-se na linha que defini-se ao longo de um plano extra de átomos.Imperfeições diversas Deslocamentos – defeitos lineares Deslocamentos são defeitos lineares ou unidimensionais nos quais os átomos estão desalinhados. . A distorção atômica associada com o deslocamento helicoidal é também linear e ao longo da linha de deslocamento (linha AB da figura). . A região superior frontal do cristal é deslocada uma distância atômica à direita da porção inferior. não apenas um tipo: deslocamentos mistas. Muitos deslocamentos presentes nos materiais cristalinos exibem os dois tipos de deslocamento.deslocamento helicoidal/parafuso Aplica-se uma tensão de quebra para produzir distorção. posições atômicas abaixo. .Os três tipos de luxações: A distorção do retículo é produzida a partir de duas faces mistas. No ponto A. Para regiões entre a curvatura e a linha de luxação. o deslocamento é puramente helicoidal. (b) Círculos abertos denotam posições atômicas acima do plano deslizante e círculos sólidos. há um caráter misto. (a) Representação esquemática de uma deslocamento de borda. helicoidal e misto. tendo vários graus de características de borda/aresta e helicoidal. enquanto no ponto B é puramente de borda. Todos os materiais cristalinos contem algum tipo de deslocamento obtido durante a solidificação. deformação plástica e como consequência de bruscas temperaturas que resultam no rápido congelamento. Micrografia eletrônica de transmissão de alta ampliação. Os deslocamentos estão envolvidos na deformação plástica de materiais cristalinos em metais e cerâmicas. As linhas escuras na figura ao lado são os deslocamentos. . Os deslocamentos podem ser observados em materiais cristalinos usando técnicas de microscopia eletrônica. Defeitos interfaciais São fronteiras que apresentam duas dimensões e normalmente regiões separadas dos materiais que tem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas. Superfícies externas São uma das fronteiras mais óbvias. fronteiras geminadas e falhas de empilhamento. . tem uma energia muito mais alta que os átomos mais internos. fronteiras de fase. Para reduzir esta energia os materiais tendem a reduzir sua área superficial. fronteiras granuladas. Os átomos não estão ligados ao número máximo de vizinhos próximos e portanto. Estas imperfeições incluem: superfícies externas. Fronteiras granuladas Quando a fronteira de separação de dois pequenos grânulos ou cristalitos tem diferentes orientações cristalográficas em materiais policristalinos. Dentro da região da fronteira. usa-se o termo pequeno (ou) baixo ângulo. há alguma incompatibilidade na transição da orientação cristalina de um grão para outro. Quando esta incompatibilidade é pequena. . Vários graus de desalinhamento cristalográfico entre grãos adjacentes são possíveis. Fronteiras granulares de grandes grãos tem energia superficial maior que aquelas formadas por grãos menores. estão ligados menos regularmente Fronteiras granuladas são mais reativas quimicamente do que os grãos isolados. Os átomos distribuídos . Pequenos ângulos são obtidos quando tem-se uma substância como na imagem ao lado: Esta é uma fronteira de inclinação. . Mesmo com o arranjo desordenado dos átomos e perda da regularidade nas ligações. o material policristalino ainda é muito forte. onde uma fase diferente existe em ambos os lados da fronteira. Fronteiras geminadas As fronteiras geminadas são um tipo especial de fronteira granulada onde há uma simetria de retículo especular. Os átomos em um lado da fronteira estão localizados em posições de imagens especulares dos átomos do outro lado. Cada uma das diferentes fases tem suas próprias características químicas e físicas. As fronteiras de fase desempenham um papel importante na determinação de características mecânicas de algumas ligas metálicas. .Fases das fronteiras As fronteiras de fase existem em materiais multifásicos. Geminados mecânicos são observados em metais BCC e HCP. Geminados resultam de deslocamentos atômicos produzidos a partir de forças mecânicas (geminados mecânicos) e também durante tratamentos térmicos de deformação (geminados de emparelhamento). Resumo Vacância e auto-intersticiais Defeitos pontuais são aqueles associados com uma ou duas posições atômicas. . Geminados de emparelhamento são tipicamente encontrados em estruturas cristalinas FCC. estas incluem vacâncias e auto-intersticiais (átomos hospedeiros que ocupam posições intersticiais). O número de vacâncias em equilíbrio depende da temperatura. Impurezas nos sólidos Uma liga é uma substância metálica que é composta de dois ou mais elementos. Para soluções sólidas substitucionais. solubilidade apreciável é possível somente quando diâmetros atômicos e eletronegatividades para ambos tipos de átomos são similares. no qual a estrutura cristalina é mantida e nenhuma nova fase é formada. quando ambos os elementos tem a mesma estrutura cristalina e quando os átomos impuros tem uma valência que é a mesma ou menor que o material hospedeiro. Para soluções sólidas substitucionais. Uma solução sólida pode formar-se quando átomos impuros são adicionados a um sólido. átomos impuros substituídos por átomos hospedeiros. . Soluções sólidas intersticiais formam-se para átomos de impureza relativamente pequena que ocupam posições intersticiais entre os átomos hospedeiros. dos quais há dois tipos: borda e helicoidal. As orientações relativas do vetor Burgers e linha de deslocamento são (1) perpendicular para borda. (2) paralelo para helicoidal e (3) nem perpendicular nem paralelo para mistos. A magnitude e direção da distorção de retículo associada com o deslocamento são especificadas pelos seus vetores de Burgers. Um eixo helicoidal assemelha-se a um parafuso. .Especificação da composição A composição de uma liga pode ser especificada em porcentagem em massa ou porcentagem atômica. os componentes de ambos borda e helicoidal puros são encontrados. Deslocamentos – defeitos lineares Deslocamentos são defeitos cristalinos uni-dimensionais. Uma borda pode ser pensada em termos da distorção do retículo ao longo da extremidade de um meio-plano extra de átomos. Para deslocamentos mistos. Através de uma fronteira granular. há uma incompatibilidade atômica entre dois grãos adjacentes que tem diferentes orientações cristalográficas. este ângulo é relativamente pequeno para fronteiras granulares de pequeno ângulo.Defeitos interfaciais No interior da vizinhança de uma fronteira granulada. . Para uma fronteira granular de alto ângulo. o ângulo de desalinhamento entre grãos é relativamente grande. os átomos de um lado são imagens especulares do outro lado.