4- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

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ASSUNTO. 4- 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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  • 4- IMPERFEIES CRISTALINASASSUNTO- Defeitos pontuais - Defeitos de linha (discordncias)-Defeitos de interface (gro e maclas)- Defeitos volumtricos (incluses, precipitados)

    Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS

    O QUE UM DEFEITO?

    uma imperfeio ou um "erro" no arranjo peridico regular dos tomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na posio dos tomosno tipo de tomos O tipo e o nmero de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstncias sob as quais o cristal processado.

    Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS

    IMPERFEIES ESTRUTURAIS

    Apenas uma pequena frao dos stios atmicos so imperfeitosMenos de 1 em 1 milhoMenos sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa

    Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS

    IMPERFEIES ESTRUTURAIS- IMPORTNCIA-

    Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS

    IMPERFEIES ESTRUTURAIS Exemplos de efeitos da presena de imperfeies

    O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeies para mudar o tipo de condutividade em determinadas regies do materialA deformao mecnica dos materiais promove a formao de imperfeies que geram um aumento na resistncia mecnica (processo conhecido como encruamento) Wiskers de ferro (sem imperfeies do tipo discordncias) apresentam resistncia maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa.

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    IMPERFEIES ESTRUTURAIS

    So classificados de acordo com sua geometria ou dimenses

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    IMPERFEIES ESTRUTURAISDefeitos Pontuaisassociados c/ 1 ou 2 posies atmicasDefeitos linearesuma dimenso

    Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimenses

    Defeitos volumtricos trs dimenses

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    1- DEFEITOS PONTUAIS

    Vacncias ou vaziostomos IntersticiaisSchottkyFrenkelOcorrem em slidos inicos

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    VACNCIAS OU VAZIOSEnvolve a falta de um tomoSo formados durante a solidificao do cristal ou como resultado das vibraes atmicas (os tomos deslocam-se de suas posies normais)

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    VACNCIAS OU VAZIOSO nmero de vacncias aumenta exponencialmente com a temperatura

    Nv= N exp (-Qv/KT)Nv= nmero de vacnciasN= nmero total de stios atmicosQv= energia requerida para formao de vacnciasK= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K

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    INTERSTICIAISEnvolve um tomo extra no interstcio (do prprio cristal)Produz uma distoro no reticulado, j que o tomo geralmente maior que o espao do interstcioA formao de um defeito intersticial implica na criao de uma vacncia, por isso este defeito menos provvel que uma vacncia

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    INTERSTICIAIStomo intersticial pequenotomo intersticial grandeGera maior distoro na rede

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    FRENKEL

    Ocorre em slidos inicosOcorre quando um on sai de sua posio normal e vai para um interstcio

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    SCHOTTKY

    Presentes em compostos que tem que manter o balano de cargasEnvolve a falta de um nion e/ou um ction

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    CONSIDERAES GERAISVazios e Schottky favorecem a difusoEstruturas de empacotamento fechado tem um menor nmero intersticiais e Frenkel que de vazios e Schottky

    Porque necessria energia adicional para forar os tomos para novas posies

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    IMPUREZAS NOS SLIDOSUm metal considerado puro sempre tem impurezas (tomos estranhos) presentes

    99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3

    A presena de impurezas promove a formao de defeitos pontuais

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    LIGAS METLICASAs impurezas (chamadas elementos de liga) so adicionadas intencionalmente com a finalidade:aumentar a resistncia mecnicaaumentar a resistncia corrosoAumentar a condutividade eltricaEtc.

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    A ADIO DE IMPUREZAS PODE FORMARSolues slidas< limite de solubilidadeSegunda fase> limite de solubilidade

    A solubilidade depende :TemperaturaTipo de impurezaConcentrao da impureza

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    Termos usados

    Elemento de liga ou Impurezasoluto (< quantidade)

    Matriz ousolvente Hospedeiro(>quantidade)

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    SOLUES SLIDASA estrutura cristalina do material que atua como matriz mantida e no formam-se novas estruturasAs solues slidas formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimenses eletrnicas semelhantes

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    SOLUES SLIDASNas solues slidas as impurezas podem ser:

    - Intersticial- SubstitucionalOrdenadaDesordenada

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    SOLUES SLIDAS INTERSTICIAISOs tomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaos dos interstciosOcorre quando a impureza apresenta raio atmico bem menor que o hospedeiroComo os materiais metlicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posies intersticiais so relativamente pequenasGeralmente, no mximo 10% de impurezas so incorporadas nos interstciosINTERSTICIAL

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    EXEMPLO DE SOLUO SLIDA INTERSTICIALFe + Csolubilidade mxima do C no Fe 2,1% a 910 C (Fe CFC)O C tem raio atmico bastante pequeno se comparado com o Fe

    rC= 0,071 nm= 0,71 ArFe= 0,124 nm= 1,24 A

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    Solubilidade do Carbono no FerroO carbono mais solvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura prxima da transformao alotrpica?ccc

    cfc

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    TIPOS DE SOLUES SLIDASSUBSTITUCIONAISSUBSTITUCIONAL ORDENADASUBSTITUCIONAL DESORDENADA

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    FATORES QUE INFLUEM NA FORMAO DE SOLUES SLIDAS SUBSTITUCIONAISREGRA DE HOME-ROTHERYRaio atmicodeve ter uma diferena de no mximo 15%, caso contrrio pode promover distores na rede e assim formao de nova faseEstrutura cristalina mesmaEletronegatividade prximasValnciamesma ou maior que a do hospedeiro

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    EXEMPLO DE SOLUO SLIDA SUBSTICIONALCu + Niso solveis em todas as propores

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    2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDNCIASAs discordncias esto associadas com a cristalizao e a deformao (origem: trmica, mecnica e supersaturao de defeitos pontuais)

    A presena deste defeito a responsvel pela deformao, falha e ruptura dos materiais

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    2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDNCIASPodem ser:

    - Cunha- Hlice- Mista

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    VETOR DE BURGER (b)D a magnitude e a direo de distoro da rede

    Corresponde distncia de deslocamento dos tomos ao redor da discordncia

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    2.1- DISCORDNCIA EM CUNHAEnvolve um SEMI-plano extra de tomosO vetor de Burger perpendicular direo da linha da discordnciaEnvolve zonas de trao e compresso

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    DISCORDNCIAS EM CUNHAFonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ

    Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS

    DISCORDNCIAS EM CUNHAFonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ

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    2.2- DISCORDANCIA EM HLICE

    Produz distoro na redeO vetor de burger paralelo direo da linha de discordncia

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    DISCORDANCIA EM HLICE

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    2.2- DISCORDANCIA EM HLICEDISCORDNCIA EM HLICE NA SUPERFCIE DE UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS SO DEGRAUS DE ESCORREGAMENT SUPERFICIAIS. (Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).

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    OBSERVAO DAS DISCORDANCIAS

    Diretamente TEM ou HRTEM

    IndiretamenteSEM e microscopia ptica (aps ataque qumico seletivo)

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    DISCORDNCIAS NO TEM

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    DISCORDNCIAS NO HRTEM

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    DISCORDNCIAS NO HRTEM

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    FIGURA DE ATAQUE PRODUZIDA NA DISCORDNCIA VISTA NO SEMPlano (111) do InSbPlano (111) do GaSb

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    CONSIDERAES GERAISA quantidade e o movimento das discordncias podem ser controlados pelo grau de deformao (conformao mecnica) e/ou por tratamentos trmicos Com o aumento da temperatura h um aumento na velocidade de deslocamento das discordncias favorecendo o aniquilamento mtuo das mesmas e formao de discordncias nicasImpurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordncias formando uma atmosfera de impurezas

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    CONSIDERAES GERAISO cisalhamento se d mais facilmente nos planos de maior densidade atmica, por isso a densidade das mesmas depende da orientao cristalogrfica As discordncias geram vacnciasAs discordncias influem nos processos de difusoAs discordncias contribuem para a deformao plstica

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    3- DEFEITOS PLANOSOU INTERFACIAIS

    Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimenses) e normalmente separam regies dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientaes cristalogrficas

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    3- DEFEITOS PLANOSOU INTERFACIAIS

    Superfcie externaContorno de groFronteiras entre fasesMaclas ou TwinsDefeitos de empilhamento

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    3.1- DEFEITOS NA SUPERFCIE EXTERNA o mais bvioNa superfcie os tomos no esto completamente ligados Ento o estado energia dos tomos na superfcie maior que no interior do cristalOs materiais tendem a minimizar est energiaA energia superficial expressa em erg/cm2 ou J/m2)

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    3.2- CONTORNO DE GRO

    Corres