1- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

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1 1- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS ASSUNTO - Defeitos pontuais - Defeitos de linha (discordâncias) - Defeitos de interface (grão e maclas) - Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)

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ASSUNTO. 1- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS. - Defeitos pontuais - Defeitos de linha (discordâncias) - Defeitos de interface (grão e maclas) - Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados). O QUE É UM DEFEITO?. - PowerPoint PPT Presentation

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1- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

ASSUNTO

- Defeitos pontuais

- Defeitos de linha (discordâncias)

-   Defeitos de interface (grão e maclas)

-  Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)

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O QUE É UM DEFEITO? É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo

periódico regular dos átomos em um cristal. Pode envolver uma irregularidade

na posição dos átomosno tipo de átomos

O tipo e o número de defeitos dependem do

material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o material foi

processado.

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RS IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS

Apenas uma pequena fração dos sítios (ou posições) atômicos são imperfeitos

Menos de 1 em 1 milhão

Menos sendo poucos eles influenciam muito as propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa

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IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS- IMPORTÂNCIA-

DEFEITOS

INTRODUÇÃOSELETIVA

CONTROLE DO NÚMERO

ARRANJO

Permite desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades

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IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS Exemplos de efeitos da presença

de imperfeições

o O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material

o A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que gera um aumento na resistência (processo conhecido como encruamento)

o Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa.

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RS IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS

São classificados de acordo com sua geometria ou dimensões

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RS IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS

Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas

Defeitos lineares uma dimensão

Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimensões

Defeitos volumétricos três dimensões

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RS 1- DEFEITOS PONTUAIS

Vacâncias ou vazios

Átomos Intersticiais

Schottky

FrenkelOcorrem em sólidos iônicos

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RS 1- DEFEITOS PONTUAIS

influem principalmente as propriedades ópticas e elétricas dos materiais;

influem em processos como difusão, transformação de fases, fluência, etc…

Átomos de soluto geram defeitos ponstuais

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RS VACÂNCIAS OU VAZIOS

Envolve a falta de um átomoSão formados durante a solidificação do material cristalino ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais)A energia livre do material depende do número ou concentração de vacâncias presentes

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VACÂNCIAS OU VAZIOS EM EQUILÍBRIO

O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura

Nv= N exp (-Qv/KT)Nv= número de vacânciasN= número total de sítios atômicosQv= energia requerida para formação de vacânciasK= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou

8,62x10-5 eV/ at.K

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RS INTERSTICIAIS

Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal)Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstícioA 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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INTERSTICIAIS devido a adição de soluto

Átomo intersticial pequenoÁtomo intersticial grande

Gera maior distorção na rede

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RS FRENKEL

Ocorre em sólidos iônicos

Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício

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RS SCHOTTKY

Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas

Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion

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RS CONSIDERAÇÕES GERAIS

Vazios e Schottky favorecem a difusão

Estruturas de empacotamento fechado tem um menor número intersticiais e Frenkel que de vazios e Schottky

Porque é necessária energia adicional para forçar os átomos para novas posições

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RS IMPUREZAS NOS SÓLIDOS

Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes

99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3

A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais

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RS LIGAS METÁLICAS

Algumas 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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A ADIÇÃO DE ELEMENTOS DE LIGA PODE FORMAR

Soluções sólidas % elemento < limite de solubilidade

Segunda fase % elemento > limite de solubilidade

A solubilidade depende :TemperaturaTipo de elemento (ou impureza)Concentração do elemento (ou impureza)

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RS Termos usados

Elemento de liga ou Impurezasoluto (< quantidade)

Matriz ou solvente Hospedeiro (>quantidade)

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RS SOLUÇÕES SÓLIDAS

A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantida

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RS SOLUÇÕES SÓLIDAS

Nas soluções sólidas as impurezas ou elementos de liga podem ser do tipo:

- Intersticial

- Substitucional Ordenada

Desordenada

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SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS

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

INTERSTICIAL

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EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL

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

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INTERSTICIAIS NA CCC E CFC

Nessas estruturas existem 2 tipos de intersticiais, um sítio menor e um maior

A impureza geralmente ocupa o sítio maior

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RS INTERSTICIAIS NA CFC

Existem 13 posições intersticiais (octaedros- formados por 6 átomos) e 8 posições intersticiais (tetraedros formados

por 4 átomos)= 21

O Sítio maior é o octaédrico

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INTERSTICIAIS (octaedros)

NA CFCExistem 13 posições intersticiais (octaedros)

1 Centro do octaedro de coordenadas (½, ½, ½)

12 localizado no centro das arestas (½, 0,0)

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INTERSTICIAIS (tetraedros)

NA CFCExistem 8 posições intersticiais (tetraedros)

1 Centro do tetraedro de coordenadas (1/4, 1/4, 1/4)

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Calcule o raio da impureza que se ajusta perfeitamente no sítio intersticial maior

(octaédrico) para a estrutura cfc

r= 0,41R

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RS INTERSTICIAIS NA CCC

Existem 18 posições intersticiais (octaedros) e 24 posições intersticiais (tetraedros)= 42

O Sítio maior é o tetraédrico

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INTERSTICIAIS (octaedro) NA CCC

Existem 18 posições

intersticiais (octaedro)

6 Centro das faces posições (½, ½, 0)

12 Centro de arestas (½, 0,0)

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INTERSTICIAIS (tetraedros)

NA CCCExistem 24 posições intersticiais (tetraedros)

4 tetraedros Para cada uma das seis faces (1/2, 1/4, 0)

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Calcule o raio da impureza que se ajusta perfeitamente no sítio maior (tetraédrico) para a

estrutura ccc

r= 0,29R

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RS Carbono intersticial no Ferro

O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura próxima da transformação alotrópica?

ccc

cfc

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Carbono intersticial no Ferro ccc-ferrita

Na ferrita os espaços intersticiais são menores

ccc

rFe= 0,124 nmrC= 0,071 nmEspaço intersticial octraédrico= 0,019 nm - 0,052 nm

rFe= 0,124 nmrC= 0,071 nmEspaço intersticial tetraédrico= 0,035 nm - 0,036 nm

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Carbono intersticial no Ferro cfc-austenita

cfcrFe= 0,124 nmrC= 0,071 nmEspaço intersticial octraédrico= 0,052 nm - 0,019 nm

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SOLUBILIDADE DO CARBONO NO FERRO

Apesar da célula unitária CCC apresentar diversas posições intersticiais, a solubilidade de carbono no Fe é maior em células CFC, pois as mesmas concentram o espaço vazio da célula, nas posições intersticiais octaédricas.

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RS INTERSTICIAIS NA HC

Existem 6 posições intersticiais (octaedros) e 8 posições intersticiais (tetraedros)= 14

O Sítio maior é o octaédrico

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INTERSTICIAIS (octaedros)

NA HCExistem 6 posições intersticiais (octaedros)

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INTERSTICIAIS (tetraedros)

NA HCExistem 8 posições intersticiais (tetraedros)

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SOLUÇÕES SÓLIDASSUBSTITUCIONAIS

(TIPOS) SUBSTITUCIONAL

ORDENADA SUBSTITUCIONAL DESORDENADA

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As soluções sólidas substitucionais formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes

SOLUÇÕES SÓLIDASSUBSTITUCIONAIS

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FATORES QUE DETERMINAM A FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS

REGRA DE HOME-ROTHERY

Raio atômico deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova faseEstrutura cristalina mesmaEletronegatividade próximasValência mesma ou maior que a do

hospedeiro

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EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTICIONAL

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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2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS

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

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2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS

Podem ser:

- Cunha

- Hélice

- Mista

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RS VETOR DE BURGER (b)

Dá a magnitude e a direção de distorção da rede

Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância

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2.1- DISCORDÂNCIA EM CUNHA

Envolve um SEMI-plano extra de átomosO vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordânciaEnvolve zonas de tração e compressão

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DISCORDÂNCIAS EM CUNHA

Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ

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DISCORDÂNCIAS EM CUNHA

Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ

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2.2- DISCORDANCIA EM CUNHA (Tensões)

Campo de tensões envolve componentes de tração e

compressão

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2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE

Produz distorção na rede

O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância

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RS DISCORDANCIA EM HÉLICE

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2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE

DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS

SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENT SUPERFICIAIS. (Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).

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2.2- DISCORDANCIA EM HÉLICE (Tensões)

Campo de tensões é simétrico e paralelo ao vetor de burger (não

envolve componentes de tração ou compressão)

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RS Energia e Discordâncias

A energia associada a uma discordância depende do vetor de Burger (varia com o quadrado do vetor de Burger)

Discordância com alto vetor de Burger tende a se dissociar em duas ou mais discordâncias de menor vetor de Burger (como o vetor é menor que o vetor da rede é chamado de falha de empilhamento-stacking fault)

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RS Dissociação de Discordâncias

stacking fault

A reação de dissociação é energeticamente favorável se:

b12 > b2

2 + b32

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RS Exercício 15

O vetor de Burger (b) para estruturas cúbicas de face centrada (CFC) e cúbica de corpo centrado (CCC) pode ser expresso como:

b= a/2 [hkl]onde [hkl] é a direção cristalográfica de maior

densidade atômica.Quais são as representações para o vetor de Burgers para as estruturas CFC e CCC?Se a magnitude do vetor de de Burges bé igual a a/2 (h2+k2+l2)1/2, determine o valor de bpara o Alumínio.

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OBSERVAÇÃO DAS DISCORDANCIAS

Diretamente TEM ou HRTEM

Indiretamente SEM e microscopia óptica (após ataque

químico seletivo)

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RS DISCORDÂNCIAS NO TEM

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DISCORDÂNCIAS NO HRTEM

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DISCORDÂNCIAS NO HRTEM

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FIGURA DE ATAQUE PRODUZIDA NA DISCORDÂNCIA VISTA NO

SEM

Plano (111) do InSbPlano (111) do GaSb

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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS

GLIDE: ocorre a baixas temperaturas e envolve quebra de ligações localizadas. A discordância se move no plano que contém a linha de discordância e o vetor de burger

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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS

CLIMB: ocorre a altas temperaturas (pois ocorre por difusão e migração de vacâncias) e envolve adição e remoção de átomos do semi-plano extra. A discordância se move perpendicular ao plano que contém a linha de discordância e o vetor de burger

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RS 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 únicasImpurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas

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RS CONSIDERAÇÕES GERAIS

A densidade das discordâncias depende da orientação cristalográfica, pois o cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômicaAs discordâncias geram vacânciasAs discordâncias influem nos processos de difusãoA formação de discordâncias contribuem para a deformação plástica

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3- DEFEITOS PLANOSOU INTERFACIAIS

Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas

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3- DEFEITOS PLANOSOU INTERFACIAIS

Superfície externa

Contorno de grão

Fronteiras entre fases

Maclas ou Twins

Defeitos de empilhamento

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Ele

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PG

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A/P

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RS

3.1- DEFEITOS NA SUPERFÍCIE EXTERNA

É o mais óbvioNa superfície os átomos não estão

completamente ligados Então o estado energia dos átomos na

superfície é maior que no interior do cristalOs materiais tendem a minimizar esta

energiaA energia superficial é expressa em erg/cm2

ou J/m2)

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A/P

UC

RS 3.2- CONTORNO DE GRÃO

Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente

um cristal = um grão No interior de cada grão todos os átomos estão

arranjados segundo um único modelo e única orientação, caracterizada pela célula unitária

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RS Monocristal e Policristal

MonocristalMonocristal: Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, que contém apenas um grão

PolicristalPolicristal: Material com mais de uma orientação cristalina, ou seja, que contém vários grãos

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RS

LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO

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RS GRÃO

A forma do grão é controladaA forma do grão é controlada:

- pela presença dos grãos circunvizinhos

O tamanho de grão é controladoO tamanho de grão é controlado

- Composição química

- Taxa (velocidade) de cristalização ou solidificação

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RS FORMAÇÃO DOS GRÃOS

A forma do grão é controladaA forma do grão é controlada:- pela presença dos grãos circunvizinhos

O tamanho de grão é O tamanho de grão é controladocontrolado- Composição- Taxa de cristalização ou solidificação

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RS

CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE CONTORNO DE GRÃO

Há um empacotamento ATÔMICO menos eficienteHá uma energia mais elevadaFavorece a nucleação de novas fases (segregação)Favorece a difusãoO contorno de grão ancora o movimento das discordâncias

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RS

Discordância e Contorno de GrãoA passagem de uma discordância através do

contorno de grão requer energia

DISCORDÂNCIA

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

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A/P

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RS

CONTORNO DE PEQUENO ÂNGULO

Ocorre quando a desorientação dos cristais é pequena

É formado pelo alinhamento de discordâncias

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A/P

UC

RS

OBSERVAÇÃO DOS GRÃOS E CONTORNOS DE GRÃO

Por microscopia (ÓTICA OU ELETRÔNICA)

utiliza ataque químico específico para cada material

O contorno geralmente é mais reativo

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RS

GRÃOS VISTOS NO MICROSCÓPIO ÓTICO

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A/P

UC

RS TAMANHO DE GRÃO

O tamanho de grão influi nas propriedades dos materiaisPara a determinação do tamanho de grão utiliza-se cartas padrões

ASTMou

ABNT

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RS

DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (ASTM)Tamanho: 1-10Aumento: 100 X

N= 2 N= 2 n-1n-1

NN= número médio de grãos por polegada quadrada

nn= tamanho de grão

Quanto maior o número menor o tamanho de grão da amostra

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RS

Existem vários softwares comerciais de simulação e determinação do

tamanho de grão

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RS

CRESCIMENTO DO GRÃO com a temperatura

Em geral, por questões termodinâmicas (energia) os grãos maiores crescem em

detrimento dos menores

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RS

3.3- TWINSMACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS

É um tipo especial de contorno de grãoOs átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contornoA macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina

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RS

ORIGENS DOS TWINSMACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS

O seu aparecimento O seu aparecimento está geralmente está geralmente associado com A associado com A PRESENÇA DE:PRESENÇA DE:

- tensões térmicas e mecânicas

- impurezas

- Etc.

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4- IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS

São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente

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RS

4- IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS

- InclusõesInclusões Impurezas estranhas

- PrecipitadosPrecipitados são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz

- FasesFases forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado)

- PorosidadePorosidade origina-se devido a presença ou formação de gases

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RS InclusõesInclusões

INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%) LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C.

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RS InclusõesInclusões

SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO.

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RS

PorosidadePorosidadeAs figuras abaixo apresentam a superfície de ferro puro durante o seu

processamento por metalurgia do pó. Nota-se que, embora a sinterização tenha diminuído a quantidade

de poros bem como melhorado sua forma (os poros estão mais arredondados), ainda permanece uma

porosidade residual.

COMPACTADO DE PÓ DE FERRO,COMPACTAÇÃO UNIAXIAL EM MATRIZ DE DUPLO EFEITO, A 550 MPa

COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO

A 1150oC, POR 120min EM

ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO

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RS

EXEMPLOS DE SEGUNDA FASE

A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ PERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DE DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-A) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO).

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RS

microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg mostrando diversas fases precipitadas

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RS

Micrografia da Liga Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto de FusãoAl-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão