Capítulo 3

Defeitos

Estrutura Cristalina e Defeitos:

De uma maneira geral, a matéria sólida possui duas estruturas atômicas: amorfa

(sem forma) e cristalina. A estrutura cristalina nada mais é que um arranjo ordenado dos

átomos e moléculas que constituem o material. As três estruturas mais comuns são:

Cúbica de Corpo Centrado - CCC

É constituído por átomos que formam a vértice de um cubo e um átomo central.

Os ferros e aços (com carbono no espaço intersticial) são constituídos conforme a

Figura 3.1:

Figura 3.1. Representação esquemática de estrutura cristalina CCC.

Cúbica de Face Centrada - CFC

É constituído por átomos que formam a vértice de um cubo e um átomo central

em cada uma das oito faces. Os ferros e aços (com carbono no espaço intersticial),

acima de certa temperatura (aproximadamente 800°C) são conforme a Figura 3.2:

Figura 3.2. Representação esquemática de estrutura cristalina CFC.

Hexagonal Compacta - HC

É constituído por átomos que formam o vértice de dois hexágonos, um átomo no

centro de cada, e três átomos ligando os hexágonos. É a estrutura de muitos metais,

como Zinco e Magnésio, conforme mostra a Figura 3.3:

Figura 3.3. Representação esquemática de estrutura cristalina HC.

Um defeito na estrutura cristalina é uma imperfeição ou um "erro" no arranjo

periódico regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na

posição dos átomos ou no tipo de átomos. O tipo e o número de defeitos dependem do

material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado e

são importantes porque, sem sua presença, por exemplo, os metais seriam muito mais

resistentes, os cerâmicos seriam muito mais tenazes e os cristais não teriam nenhuma

cor. Podem ser classificados como:

Defeitos Pontuais: irregularidades que se estendem sobre somente alguns

átomos. Os defeitos pontuais podem ser vazios, ou seja, a ausência de átomo no lugar

que deveria estar, conforme mostra a Figura 3.2 ou presença de um átomo diferente no

lugar de um átomo ou no espaço intersticial. Como conseqüência, as ligações atômicas

vizinhas não foram satisfeitas.

Figura 3.4. Exemplo de defeito pontual (vazio).

Defeitos Lineares: irregularidades que se estendem através de uma única fileira de

átomos; Também chamados de discordâncias, são imperfeições em uma estrutura

cristalina nas quais uma linha de átomos tem uma estrutura local que difere da estrutura

circunvizinha. É causada por forças mecânicas geradas na fabricação do material e tem

forte influência nas propriedades mecânicas dos materiais. A Figura 3.5 esquematiza o

defeito de discordância.

Figura 3.5. Discordância.

Defeitos Planares: irregularidades que se estendem através de um plano de

átomos; São imperfeições superficiais de natureza estrutural que decorrem de uma

variação no empilhamento dos planos atômicos através de um contorno. Tal variação

pode ser tanto na orientação, quanto na seqüência de empilhamento dos planos.

Para melhor compreensão dos defeitos planares, explicar-se-á o

desenvolvimento da macroestrutura:

Desenvolvimento da macroestrutura

Os metais líquidos são vazados em moldes para obtenção de peças ou lingotes.

O lingote passa posteriormente por processos de deformação plástica, visando a

produção de chapas, barras, perfis, etc.

Os grãos que aparecem na estrutura da peça ou do lingote podem ter diferentes

tamanhos, dependendo das taxas de extração de calor e gradientes térmicos em cada

momento da solidificação. O desenvolvimento da macroestrutura durante a solidificação

causam diferentes morfologias de grãos resultantes que influenciam diretamente nas

propriedades mecânicas do material. Em geral existem três regiões de grãos, conforme

mostra a Figura 3.6, que se classificam como:

Zona coquilhada: região de pequenos grãos com orientação cristalina aleatória,

situada na parede do molde. Próximo à parede existe maior taxa de extração de calor e

portanto elevado super-resfriamento, que favorece a formação destes grãos. Os grãos da

zona coquilhada tendem a crescer na direção oposta a da extração de calor. Porém

algumas direções cristalinas apresentam maior velocidade de crescimento que outras.

Zona Colunar: região de grãos alongados, orientados na direção de extração de

calor. Os grãos da zona coquilhada que possuem as direções cristalinas de maiores

velocidades de crescimento alinhadas com a direção de extração de calor, apresentam

aceleração de crescimento. Esta aceleração gera grãos alongados que compõem a zona

colunar, situada na posição intermediária entre a parede e o centro do molde.

Zona Equiaxial: região de pequenos grãos formados no centro do molde como

resultado da nucleação de cristais ou da migração de fragmentos de grãos colunares

(arrastados para o centro por correntes de convecção no líquido). Nesta região os grãos

tendem a ser pequenos, equiaxiais e de orientação cristalina aleatória.

Figura 3.6. Tipos de macroestruturas existentes.

Contornos de Grão

São as imperfeições superficiais que separam cristais de diferentes orientações,

num agregado policristalino. Como se ilustra na Figura 3.7, para um modelo

bidimensional, os átomos do contorno entre dois grãos aleatoriamente orientados não

podem ter um complemento perfeito de átomos vizinhos; em conseqüência, existe uma

região de transição onde o empilhamento atômico é imperfeito. Em três dimensões, esta

transição ocorre através da superfície que separa os grãos. É a natureza imperfeita dos

contornos dos grãos que permite ao microscopista vê-los, pois, num material cristalino

transparente, eles dispersam a luz e num material opaco, eles podem ser atacados

quimicamente.

Figura 3.7. Contornos de grão.

Contornos de Macla

Imperfeições superficiais que separam duas orientações que são imagens

especulares uma da outra são chamadas contornos de macla. O volume do material cuja

orientação é imagem especular da orientação da matriz é chamado macla; As maclas

podem originar-se durante o crescimento de um cristal ou durante uma deformação.

Cisalhamento paralelo ao contorno da macla pode produzir a macla, como mostrado na

Figura 3.8, particularmente se o escorregamento for difícil de se iniciar ou propagar

nessa direção. O cisalhamento da rede é uniforme, isto é, o afastamento de um ponto da

rede na região maclada é diretamente proporcional à sua distância do contorno e é

paralela ao contorno da macla. Se a cada ponto da rede está associado mais de um

átomo, como nos metais hc, depois do cisalhamento de maclagem devem ocorrer

pequenos reajustes atômicos para que sejam macladas tanto a rede, como a estrutura

cristalina

Figura 3.8. Defeito de maclas.

A Figura 3.9 mostra um contorno de macla conforme pode ser observado através

de microscopia ótica.

Figura 3.9. Contorno de macla observado pela microscopia ótica.

Defeito de Empilhamento

É uma imperfeição superficial que resulta do empilhamento de um plano

atômico fora da seqüência, enquanto que a rede é perfeita de cada lado do defeito. Por

exemplo, a seqüência de empilhamento num cristal CFC ideal pode ser descrita como

ABCABCABC..., mas, por um defeito de empilhamento a seqüência pode mudar para

ABCABABCA ....

O defeito de empilhamento neste caso é devido ao plano "A" de átomos vir após

o segundo "B", e pode ser descrito como uma região muito fina de empilhamento HC

num cristal CFC. Tais defeitos de empilhamento podem ocorrer durante o crescimento

do cristal ou resultar da separação de duas discordâncias parciais. Em ambos os casos, o

material cristalino de um lado da imperfeição tem a mesma orientação do que se acha

do outro lado, mas sofreu uma translação em relação a este por uma fração do vetor da

rede

Defeitos de fundição

Além dos defeitos estruturais decorrentes da solidificação do metal, outros tipos

de defeitos podem aparecer no produto final (fundido), oriundos do próprio processo de

fundição.

Presença de inclusões, que são não metálicos como SiO2 (areio do molde) e

MnO. Causam diminuição das propriedades mecânicas das peças fundidas e podem

comprometer os lingotes em processos posteriores de deformação plástica e usinagem.

Defeitos de composição da liga metálica, que causam o aparecimento de

partículas duras indesejáveis no material ou concentração de impurezas em algumas

regiões, que pode ocorrer devido à segregação durante o processo de solidificação. Em

ligas, os elementos com mais baixo ponto de fusão se concentram no líquido, sendo

assim, a última região a solidificar a mais rica nesses elementos. Isso também

compromete os processos de conformação. A Figura 3.10 ilustra a segregação em peças

forjadas.

Figura 3.10. Segregação em peças laminadas e forjadas.

Crescimento dendrítico. Formação de dendritas que se encontram em planos

diagonais, como ilustra a Figura 3.11. Essas diagonais formam planos de maior

fragilidade, podendo aparecer fissuras ou trincas durante processos posteriores de

conformação plástica.

Figura 3.11. Dendritas se encontram em planos diagonais do lingote. (b) Aspectos

típicos da seção de um lingote. (c) Crescimento dendrítico ocorrendo de forma às

dendritas se encontrarem em planos diagonais.

Ocorrência de contração de volume. Formação de rechupe (vazio ou

chupagem). A ocorrência de rechupe é ilustrada na Figura 3.12. Essa região deve ser

retirada da peça. Em peças fundidas, essa é a região do massalote ou alimentador, que

será descrito em posteiormente.

Figura 3.12. Ocorrência de rechupe.

A contração durante a solidificação pode causar o aparecimento de tensões

residuais, que são causadas por deformações plásticas não homogêneas, e trincas a

quente, como ilustra a Figura 3.13. A contração de solidificação também ocorre junto às

dendritas causando a ocorrência de micro-rechupes.

Figura 3.13. Ocorrência de trincas a quente.

Formação de gases durante o processo de fundição podem formar bolhas

tanto na superfície quanto no interior das peças. No interior das peças a porosidade

formada pelos gases se diferencia dos microrrechupes por apresentar formas mais

aredondadas. Isso causa fragilidade e defeitos superficiais na peça usinada.

Não preenchimento completo do molde. O não preenchimento completo do

molde ocasiona defeitos na peça. Isto pode ser causado por temperaturas de vazamento

baixas.