Ciência dos Materiais Aula 5 . Defeitos cristalinos

aula 5 a. solidificação dos metais

b. defeitos pontuais c. difusão atômica

d. defeitos lineares e. defeitos superficiais

f. defeitos volumétricos g. técnicas experimentais

ftec

ciência dos materiais professor: ulisses caetano 1

acesse e estude www.cienciadosmateriais.org

capítulo 5

grão de sal microscopia eletrônica

de varredura 2

a. solidificação do metaisA solidificação dos metais é muito importante, pois se trata de umprocesso de fabricação aplicado na maioria dos materiais metálicos,que são fundidos então vazados em uma forma acabada ou semiacabada.

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o.)

Um lingote de ligas de alumínio de grandes dimensões, vazado semi-continuamente, sendo removido do molde poço.

Etapas da solidificação de metais: (a) formação de núcleos,

(b) crescimento de núcleos formando cristais, (c) união dos cristais em grãos e contornos de grãos.

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produção do aço . lingotamento continuo

(�Making, Shaping, and Treating ot Steel�, 10. ed., Association of Iron and Steel Engineers, 1985.)

Esquema do vazamento de um lingote de uma liga de alumínio, em uma unidade semicontínua

de fundição em coquilha.

Vazamento contínuo de lingotes de aço. (a) Esquema geral

(b) Detalhe da disposição do molde

a. solidificação do metais

(a) (b)

4

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=9zDa_mEI0N0&list=PL4FB96AA57A7E9E00

Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=CrqfRuACeqE

a. solidificação do metais

Alto Forno

Acearia

produção do aço

5

https://www.youtube.com/watch?v=9zDa_mEI0N0&list=PL4FB96AA57A7E9E00

http://www.youtube.com/watch?v=CrqfRuACeqE

liga de alumínio 6063, com magnésio (até 0,7%) e silício (até 0,4%)

Foi vazado com adição de um refinador, grão

equiaxiais, por sais de boro ou titânio.

a. solidificação do metais(�M

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973,

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64.)

Regiões das seções transversais de dois lingotes da liga de alumínio 6063 com 15 cm de diâmetro.

Não foi adicionado qualquer refinador de grão, grãos colunares,

6

policristal de titânio

Um conjunto de grãos, retirados a golpe de martelo de um lingote de titânio fundido a arco. O conjunto preservou as reais facetas de ligação entre as estruturas dos grãos da estrutura bruta de solidificação.

(W. Rostoker and J.R. Dvorak, �Interpertation of Metallografi c Strutures.� Academic, 1965, p. 7.)

a. solidificação do metaisgrãos tridimensionais

7

Todos os materiais apresentamimperfeições no arranjo deseus átomos. Controlar as imperfeições,significa obter materiais comdiferentes propriedades enovas aplicações.

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Os tipos de defeitos:Vibrações da redeDefeitos pontuaisDefeitos linearesDefeitos planaresDefeitos volumétricos

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Propriedades mecânicas demetais puros experimentamalterações significativas quandoátomos de impurezas sãoadicionados. Materiais semicondutoresfuncionam devido aconcentrações controladas deimpurezas específicas sãoincorporadas em regiõespequenas e localizadas.

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o defeito é uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal.

podem envolver uma irregularidade:. na posição dos átomos. no tipo de átomos

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O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio

ambiente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado.

b. defeitos pontuais

O defeito pontual é uma imperfeição ou um erro no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Pode envolver uma irregularidade na posição dos átomos e no tipo de átomos.

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Apenas uma pequena fração dossítios atômicos são imperfeitos:Menos de 1 em 1 milhão.Mesmo sendo poucos elesinfluenciam muito nas propriedadesdos materiais e nem sempre de formanegativa.


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Envolve a falta de um átomo.São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas.Todos os sólidos cristalinos possuemlacunas.

defeitos do tipo lacunasb. defeitos pontuais

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Envolve um átomo extra no interstício do cristal.Produz uma distorção no reticulado.Consequência, distorção da rede com o surgimento de um estado complexo de tensões.

defeitos do tipo intersticial

defeitos do tipo substitucionalEnvolve um átomo extra substituindo um átomo do cristal. Produz uma distorção no reticulado.(a) átomo substitucional pequeno(b) átomo substitucional grande

(a) (b)


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Embora sejam denominados defeitos pontuais, as imperfeições afetam uma região que envolve vários átomos. Podem ser criadas pelo movimento atômico quando há o aumento de energia térmica no processamento ou dopagem do material.Um metal considerado puro sempre tem impurezas:Imagine um metal com 99,9999% de pureza, mesmo assim ele terá cerca de 10 defeitos pontuais por cm .

Impurezas são adicionadas intencionalmente com a finalidade de aumentar a resistência mecânica, a resistência à corrosão,e a condutividade elétrica.

22 3


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Difusão atômica é o movimentode material através da matéria,em gases (fumaça), em líquidos (em tintas) e em sólidos (reações no estado sólido).

A difusão atômica resulta da vibração dos átomos em torno de posições da rede cristalina,

A medida que a temperatura é elevada, o movimento atômico torna-se mais intenso.

c. difusão atômica

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mecanismo de difusão substitucional

Para haver a movimentação dos átomos dentro da estrutura cristalina são necessários a existência de lacunas (defeitos pontuais) para que haja a movimentação atômica.

Com o aumento da temperatura ocorre o aumento das lacunas, possibilitando uma maior movimentação atômica.


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Ocorre quando os átomos se movem de um interstício para outro vizinho, sem provocarem deslocamentos nos átomos da rede.Os átomos que se deslocam tem que ser relativamente pequeno em relação aos átomos da matriz cristalina a exemplo do hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e carbono.

mecanismo de difusão intersticial.c. difusão atômica

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solução sólidac. difusão atômica

para fins de estrutura, uma solução sólida consiste em pelo menos dois

tipos de átomos diferentes

os átomos de soluto ocupam posições substitutivas ou intersticiais

no retículo cristalino do solvente

o limite de solubilidade é a concentração máxima de átomos de

soluto que pode se dissolver no solvente, em uma determinada

temperatura.solução sólida

soluto solvente

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Os mecanismos que possibilitam o movimento atômico no estado sólido dependem da relação entre raios atômicos do soluto e solvente.soluto: o que é dissolvido, café,solvente: o que dissolve, água.

água e café

pó de café

Solubilidade do açúcar em água


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Outros fatores que são importantes para que ocorra difusão.1) Mecanismo de difusão: átomos pequenos tendem a se difundir nos interstícios do solvente, por exemplo o carbono no ferro em redes CCC e CFC.2) Temperatura de difusão: quanto maior a temperatura maior a difusão, devido a maior agitação dos átomos.3) Tipo de estrutura cristalina: estruturas CCC são mais suscetíveis a difusão que as estruturas CFC, apesar do fator de empacotamento CCC ser 0,68 e do CFC 0,74. Porque?4) Tipos de defeitos cristalinos: estruturas mais abertas possibilitam maior difusão, ou seja, mais defeitos mais fácil é difundir.


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Materiais poliméricos: o movimento de difusão é das moléculas a

exemplo do O2, H2O, CO2 e CH4

entre as estruturas das cadeias poliméricas

geralmente provoca a degradação das propriedades dos materiais poliméricos

as regiões amorfas dos polímeros possuem taxas de difusão maiores que as regiões

cristalinas, por serem estruturas mais abertas.

moléculas menores se difundem mais rapidamente.


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cementação de aço

(�Metals Handbook�, vol. 2: �Heat Treating�, 8. ed., American Society for Metals, 1964, p. 108. ASM International.)

difusão de átomosnas fronteiras dos grãos

engrenagens cementadas

produção de camadas superficiais duras e resistentes aodesgaste com um núcleo interior tenaz para absorver impactos

aços para cementação são de baixo teor de carbono < 0,25%C


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as peças de aço são colocadas em um forno em contato commetano (CH4) em temperatura de cerca de 950 C. o carbono se difunde na estrutura e confere a durezaesperada.

c. difusão atômicacementação de aço

o

(B.J. Sheehy, Met. Prog., September 1981, p. 120. Reimpresso com permissão de ASM International. Todos os direitos reservados. www.asminternational.org.) Macrografia de uma engrenagem aço SAE 8620 cementada em uma

atmosfera de nitrogênio-metanol 25

engrenagens

26

carros

defeito linear ou discordânciaocorrem quando átomos

estão desalinhados

a presença desses defeitos sãoresponsáveis pela deformação,

falha e ruptura dos materiais27

a deformação plástica ocorrecom o efeito cumulativo do

deslizamento de um númeroenorme de discordâncias

gera a ductilidade nosmateriais metálicos

a interferência no movimentodas discordâncias proporciona

o aumento da dureza28

produzida pela distorção (torção) de um cristal, de modoque um plano atômico produza

uma rampa ao redor da discordância.

d. defeitos linearesdiscordância em hélice

(M. Eisenstadt �Introduction to Mechanical Properties of Materials: An Ecological Approach, 1 ed., © 1971. Reimpresso com permissão de Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, N.J.)

29

produzida pela ação de forças combinadas de tração e

compressão em um cristal, de modo que um plano atômico

deslize a discordância pela estrutura

(M. Eisenstadt �Introduction to Mechanical Properties of Materials: An Ecological Approach�, 1. ed., © 1971. Reimpresso com permissão de Pearson Education, Inc.,

Upper Saddle River, N.J.)

(A.G. Guy, �Essentials of Materials Science�, McGraw-Hill, 1976, p. 153.)

d. defeitos linearesdiscordância em aresta

imita o movimento da lagarta 30

ocorrência dos dois tipos de defeitos

(Wulff et al., �The Structure and Properties of Materials�, vol. III, H.W. Hayden, L.G. Moffat, and J. Wulff, �Mechanical Behavior�, Wiley, 1965, p. 65.)

discordância mista em um cristal. A discordância de linha AB, é em hélice no

ponto A, à esquerda, em que entra no cristal, e em cunha no ponto B, à direita,

onde sai do cristal.B

A

discordância mistad. defeitos lineares

31

d. defeitos lineares

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Floresta de discordâncias um aço inoxidável, vistas através de microscopia eletrônica de transmissão (TEM)

Toda superfície externa é considerada uma imperfeição, pois representa o local onde a estrutura do cristal termina, átomos da superfície não estão ligados ao número máximo de vizinhos mais próximos.

As microestruturas policristalinos possuem muitos grãos.

Grão: porção de material onde o arranjo cristalino é idêntico, variando

sua orientação de grão para grão,Contorno de grão: fronteira entre os

grãos com uma largura de apenas alguns átomos.

Grão Contorno de grão

d. defeitos de superfície

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estrutura dos grãos

(A.G. Guv, �Essentials of Materials Science�, McGraw-Hill, 1976.) Esquema mostrando a relação entre a estrutura bidimensional de um material

cristalino e a relação sobre a rede tridimensional.

(Figura de A.G. Guv, �Essentials of Materials Science�, McGraw-Hill, 1976.)

contornos de de grãos de bronze.

d. defeitos de superfície

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os defeitos volumétricos são os defeitos em três dimensões, partículas de diferentes tamanhos, trincas ou poros.

Trinca

porosidade em liga de alumínio

porosidade em cerâmica

aumento 100x

f. defeitos volumétricos

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(After M. Eisenstadt, �Mechanical Properties of Materials�, Macmillan, 1971, p. 126.) Esquema ilustra como a luz é refletida e ampliada em uma amostra metálica polida e

quimicamente contrastada.

(Eisenstadt, M., Introduction to Mechanical Properties of Materials: Na Ecological Approach, 1. ed., ©1971. Reimpresso com permissão de Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.) Efeito do ataque químico na microestrutura da

superfície polida de uma amostra de aço, observada por microscopia óptica.

(a) Na condição polida, não se observam quaisquer pormenores microestruturais.

(b) Depois do contraste, um aço com teor muito baixo de carbono, apenas os contornos de grão são

fortemente atacados quimicamente, e aparecem como linhas escuras na microestrutura.

(c) Depois do contraste, em uma amostra polida, de um aço com médio teor de carbono, observa-se

regiões escuras (perlita) e claras (ferrita).

microscopia ópticag. técnicas experimentais

(a) (b) (c)

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comparação

Técnica Microscopia Ó.ca

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

Microscopia Eletrônica de Tunelamento (MET)

Resolução 200nm 10nm 0,2nm

Ampliação 2 a 200 vezes 20 a 10 mil vezes 200 a 2 milhões de vezes

Observação Interior ou superKcie SuperKcie Interior ou superKcie

Meio Ambiente Alto ou baixo vácuo Alto vácuo

Preparação da amostra Fácil Fácil DiKcil

g. técnicas experimentais

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Tamanho de grãos ASTM.Quanto maior a quantidade de grãos, ou seja menor seu tamanho, maior será a resistência mecânica do material, pois os contornos servem como barreiras para movimentação das discordâncias.

N = 2 n-1

N n

n < 3: material grosseiro4 < n < 6: de grão médio 7 < n < 9: de grão refinadon > 10: grão ultrafino

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tamanhos de grãos ASTM de chapas de aço de baixo carbono

(“Metals Handbook,” vol. 7, 8. ed., American Society for Metals, 1972, p. 4.) (a) (b) (c)

(a) número 7(b) número 8 (c) número 9

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são avaliados através de microscopia ótica, aumento inferior à 200 vezes, técnica conhecida como metalografia.

metalografiainsitu.blogspot.com.br/2010/04/metalografia-de-cobre.html

Metalografia do cobre

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usada para fazer medidas e observações microscópicas

caracterizar fratura, fazer estudos de microestrutura,

mensurar a contaminação de superfícies

a amostra é bombardeada por elétrons, depois sinais

eletrônicos emitidos pelo material são coletados e

analisados.(V.A. Phillips, �Modem Metallographic Techniques and Their Applications�, Wiley, 1971, p. 425.) esquema da constituição do MEV

microscopia eletrônica de varredura (MEV)

41


observação de fio de cabelo MEVLaboratório Central de Microscopia e

Micro análise da PUC 42


(MEV)

filamento de tungstênio de uma lâmpada comum

43

g. técnicas experimentaismicroscopia eletrônica de varredura (MEV)

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vírus HIV

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