Post on 12-Dec-2015
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Exemplos de efeitos da presença
de imperfeições
• O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material.
• Fósforo e Boro são exemplos de dopantes acrescentados aos cristais de silício puro, com o objetivo de ajustar as propriedades elétricas para aplicações eletrônica.
• A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento)
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Imperfeições dos Sólidos
• Os cristais reais apresentam inúmeros defeitos, que são classificados por sua “dimensionalidade”. ▫ Defeitos Pontuais (dimensão zero) Vacâncias (lacuna) Autointersticiais Impurezas intersticiais e substitucionais
▫ Defeitos Lineares (dimensão um) Discordâncias (deslocamento)
▫ Defeitos Planares (dimensão dois) Interfaces e fronteiras de grão
▫ Defeitos Volumétricos (dimensão três) Vazios, fraturas, inclusões e outras fases.
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Soluções sólidas
• A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantida.
• Nas soluções sólidas as impurezas ou elementos de liga podem ser de dois tipos:
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Intersticial Substitucional
Soluções sólidas substitucionais
• Os átomos do soluto ou impureza repõem ou substituem átomos hospedeiros.
▫ a estrutura do solvente não muda, mas se deforma;
• As soluções sólidas substitucionais formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes.
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SUBSTITUCIONAL
ORDENADA
SUBSTITUCIONAL
DESORDENADA
Soluções sólidas substitucionais
• Fatores que determinam a formação de soluções sólidas substitucionais:
▫ 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
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Exemplo de Soluções sólidas
substitucionais
• Cu + Ni são solúveis em todas as proporções
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Características Cu Ni
Raio atômico
Estrutura
Eletronegatividade
Valência
0,128nm=1,28 A
CFC
1,9
+1 (as vezes +2)
0,125 nm=1,25 A
CFC
1,8
+2
Soluções sólidas Intersticiais
• Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços vazios.
• Ocorre quando a impureza apresenta diâmetro atômico bem menor que o hospedeiro-solvente.
• 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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Soluções sólidas Intersticiais
• Exemplo de solução sólida intersticial
• Fe + C solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 9100 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
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Soluções sólidas x Prorpiedades Mecânicas
• A presença de solutos altera o comportamento
mecânico dos metais, sendo que:
▫ diferença entre tamanhos atômicos leva ao
aumento da resistência mecânica
▫ aumento da quantidade de soluto leva ao aumento
da resistência mecânica
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Soluções sólidas x Prorpiedades Mecânicas
• Exemplos:
▫ liga Cu-Zn: aumento
pequeno - tamanhos
atômicos próximos.
▫ liga Cu-Sn: aumento
médio - tamanhos
atômicos diferentes.
▫ liga Cu-Be: aumento
elevado – tamanhos
atômicos diferentes
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Defeitos Lineares - Discordâncias
• São imperfeições que causam a distorção da rede cristalina em torno de uma linha e caracterizam-se por envolver um plano extra de átomos.
• Podem ser produzidas durante o crescimento do cristal ou na deformação plástica do cristal
• A presença deste defeito pode ser responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais
• Classificação ▫ Discordância aresta ▫ Discordância espiral ▫ Discordância mista
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Defeitos lineares - Discordâncias
• Magnitude e a direção da distorção da rede associada à uma discordância são expressas em termos de um vetor de Burgers, representada por b.
• Materiais metálicos
▫ Magnitude igual ao espaçamento interatômico
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Discordância aresta
• Defeito provocado pela adição de um semi-plano extra de átomos.
• Átomos acima da linha de discordância são pressionados uns contra os outros.
• Átomos abaixo da linha de discordância são afastados uns em relação aos outros.
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Compressão
Expansão
Semiplano adicional
Discordância de aresta
Discordância aresta
• A magnitude dessa distorção diminui com o aumento da distância à linha de discordância:
▫ Em posições mais afastadas a rede cristalina é virtualmente perfeita.
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(a) (b) (c)
Discordância de aresta
Discordâncias – Considerações gerais
• 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.
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Discordâncias – Considerações gerais
• Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas.
• As discordâncias geram vacâncias.
• As discordâncias influem nos processos de difusão.
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Discordâncias – Importância
• Importantes em metais e ligas pois fornecem mecanismo para a deformação plástica (permanente).
• Movimentação das discordâncias (deslizamento) proporciona ductilidade aos metais.
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Discordâncias – Importância
• Movimento da discordância em aresta
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• Figura 10: a) o semiplano de átomos extra é chamado de A. b) A discordância se move uma distância atômica para a direita conforma A se liga à porção inferior do plano B. c) Um degrau se forma na superfície do cristal conforme o semiplano atinge a superfície.
Discordâncias – Importância
• Podemos controlar as propriedades mecânicas de um metal ou de uma liga interferindo no movimento das discordâncias, para aumentar a dureza ou a ductilidade.
• As discordâncias também influenciam nas propriedades óticas e elétricas dos materiais.
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Defeitos Interfaciais
• Cristais apresentam defeitos em duas dimensões, que se estendem ao longo da estrutura, gerando imperfeições de interfaces:
▫ Superfícies externa
▫ Contornos de grão
▫ Contornos de Maclas
• Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas.
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Defeitos interfaciais – Superícies Externas
• Átomos na superfície não têm todas suas ligações satisfeitas e possuem maior energia livre que os átomos sob a superfícies;
• Para reduzir essa energia na superfície Os materiais tendem a minimizar a área total de sua superfície;
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Superfície Externa
• A superfície dos sólidos podem se “reconstruir” para satisfazer as ligações atômicas dos seus átomos.
Defeitos interfaciais – Contornos de grão
• Materiais policristalinos são formados por muitos cristais ou grãos, que têm diferentes direções cristalográficas;
• Nas regiões onde estes grãos se encontram ocorre um desordenamento atômico. Elas são chamadas de contorno de grão.
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Defeitos interfaciais – Contornos de grão
• Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente • Há uma energia mais elevada, por isso quimicamente mais
reativos • Favorece a nucleação de novas fases (segregação) • Favorece a difusão • O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias
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Aço inoxidável austenítico Aço carbono (1070) Ferrita e perlita
Ferro fundido nodular Matriz ferrítica e
nódulos de grafita
Defeitos interfaciais – Contornos de grão
• A forma do grão é controlada: ▫ pela presença dos grãos circunvizinhos
• O tamanho de grão é controlado ▫ Composição química ▫ Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação
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Defeitos interfaciais – Contornos de macla
• Tipo especial de contorno de grão
• Uma macla separa duas regiões cristalinas que são, estruturalmente, imagens espelhadas uma da outra.
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Defeitos interfaciais – Contornos de macla
• Maclas podem ser causadas por forças mecânicas de cisalhamento (comuns em CCC e HC), durante tratamentos térmicos de recozimento (CFC).
• A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina
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Defeitos volumétricos ou de massa
• Podem ser classificados como poros, trincas, inclusões e outras fases: ▫ Poros: podem modificar substancialmente as
propriedades ópticas, mecânicas e térmicas de um material;
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poros
Fases secundárias
Inclusões
Heterogeneidade
(materiais multifásicos)
▫ Fraturas: podem afetar as propriedades mecânicas do material;
▫ Inclusões: podem modificar substancialmente as propriedades elétricas, mecânicas e ópticas de um material;