Ciência Dos Materiais Imperfeições Cristalinas

CINCIA DOS MATERIAIS I

PROF: RICARDO HENRIQUES LEAL

Email: [email protected]

Carga Horria: 75 horas (Terica: 60 hrs; Prtica: 15 hrs)

BIBLIOGRAFIA:

1) Cincia e Engenharia dos Materiais Uma Introduo; William D. Callister Jr. e David G. Rethwisch, 8a edio, Editora LTC/GEN

2) Princpios de Cincia e Tecnologia dos Materiais; L.H. Van Wlack

AVALIAO:

2 Provas

3a Nota: 40% Prova, 30% Seminrio, 30% Exerccios

RESUMO DA EMENTA

Introduo Reviso de Estrutura Cristalina Difrao de Raios X Imperfeies Cristalinas Difuso Propriedades Mecnicas dos Metais Mecanismos de Endurecimento Fratura, Fadiga e Fluncia Diagramas de Fase Transformao de Fases em Metais

Imperfeies Cristalinas

Defeitos Pontuais

Defeitos Superficiais

Defeitos Volumtricos

Defeitos Lineares - Discordncias

Microscopia

Bibliografia:

1. Cincia e Engenharia dos Materiais Uma Introduo; William D. Callister Jr. e David G. Rethwisch, 8a edio, Editora LTC/GEN

Imperfeies Cristalinas

Todos os slidos apresentam defeitos ou imperfeies na sua estrutura cristalina oriundos do processo de solidificao e tambm como consequncia de deformao gerada pela aplicao de uma fora (interna ou externa)

Defeito Cristalino uma irregularidade na rede cristalina com uma ou mais das suas dimenses da ordem do dimetro atmico; so classificados pela dimenso da irregularidade: pontuais, lineares (unidimensionais), interfaciais (bidimensionais) ou volumtricos (tridimensionais)

Defeitos Pontuais: Lacunas Auto Intersticiais tomos em soluo slida:

Substitucionais Intersticiais

Imperfeies Cristalinas (cont.)

Lacunas e Intersticiais:

Imperfeies Cristalinas (cont.)Lacunas: Todos os slidos contm lacunas, a presena delas aumenta a entropia

(aleatoriedade) do cristal, reduzindo a energia do mesmo at um ponto de equilbrio, quando a reduo na entropia equilibrada pelo aumento da energia de deformao prximo s lacunas

Um cristal contendo lacunas tem uma variao de energia livre (Gl) em relao a um cristal perfeito igual a:

Gl = El TSlonde El variao da energia interna ou de deformao armazenada e Sl a variao de entropia, ambas provocadas pela introduo das lacunas

A introduo de lacunas aumenta a energia de deformao e tambm a entropia, sendo que inicialmente o aumento da entropia mais acentuado, at um ponto onde o seu aumento cresce menos e o aumento da energia de deformao passa a prevalecer

Dessa forma, a energia livre passa por um mnimo, gerando um nmero de lacunas em equilbrio


O nmero de lacunas em equilbrio (Nv) em uma temperatura absoluta (T K) dada pela expresso abaixo, onde N o nmero total de stios atmicos, Qv a energia necessria para a formao de uma lacuna e k a constante de Boltzmann (k = 1,38 x 10-23 J/tomo.K)

nl = nv = n de lacunas (ou vazios)

w = Qv = trabalho necessrio para formar uma lacuna = energia de deformao introduzida pela lacuna

ne = Nv = n de lacunas em equilbrio (energia livre mnima)

Imperfeies Cristalinas (cont.)Auto Intersticiais:

tomo do cristal comprimido em um stio intersticial Produz distores muito grandes na rede cristalina, o que aumenta a sua energia muito mais

do que o aumento na entropia, e, portanto sua presena no energeticamente favorvel (energia livre sempre aumenta, no passando por um mnimo)

Consequentemente tem nmero muito menor do que as lacunas, pois exige trabalho muito grande para produz-lo

Lacunas e Auto Intersticiais em Cermicos:

Lacunas e auto intersticiais podem existir nos compostos cermicos, sendo que podem ocorrer ambos os defeitos tanto para o ction quanto para o nion, porm, muito pouco provvel a formao de auto intersticiais de nions, em funo do seu tamanho

Como em geral os compostos cermicos so formados por ons, necessrio se manter a eletroneutralidade e, portanto, os defeitos pontuais no ocorrem isolados, mas sim combinados: Defeito de Frenkel: lacuna catinica combinada com ction intersticial Defeito de Schottky: lacuna catinica combinada com lacuna aninica


Lacunas e Intersticiais nos Cermicos:

Imperfeies Cristalinas (cont.)Lacunas e Auto Intersticiais em Cermicos: Outro defeito pontual em cermicos causado pela falta de estequiometria para alguns cermicos

nos quais existem dois estados de valncia (ou inicos) para um dos tipos de on

P.ex: FeO, onde o Fe pode estar presente com Fe2+ ou Fe3+ , dependendo da temperatura e presso de oxignio no ambiente

A formao de um on Fe3+ perturba a neutralidade do cristal pela introduo de uma carga +1 em excesso, que deve ser compensada pela formao de uma lacuna de Fe2+ para cada dois ons Fe3+ formado

O cristal no mais estequiomtrico, pois existe um on de O a mais que os ons de Fe, porm a eletroneutralidade mantida

Imperfeies Cristalinas (cont.)Impurezas e/ou Ligas nos Slidos:

Impurezas e/ou tomos de elementos de ligas adicionados a um metal formam soluo slida e/ou segunda fase, dependendo dos tipos de tomos, suas concentraes e da temperatura

Solues slidas Substitucional: quando os tomos de impurezas e/ou de elementos de ligas

(solutos) substitui tomos do metal base (solvente) na estrutura cristalina

Intersticial: quando os tomos de impurezas e/ou de elementos de ligas (solutos) se localizam nos interstcios da estrutura cristalina do metal base (solvente)

Solues slidas so homogneas em termos de sua composio: tomos de impurezas e/ou de elementos de ligas esto distribudos aleatria e uniformemente no slido

Imperfeies Cristalinas (cont.)Regras de Hume-Rothery para Solues Slidas Substitucionais:

Exemplo: Cu e Ni completamente solveis em todas as propores Raios atmicos: 0,128 nm para o Cu e 0,125 nm para o Ni

Estruturas cristalinas CFC para Cu e Ni

Eletronegatividade de 1,9 para Cu e 1,8 para Ni

Valncia de +1 para Cu (algumas vezes +2) e +2 para Ni

Imperfeies Cristalinas (cont.)Solues Slidas Intersticiais:

Nos materiais metlicos com FEA elevados as posies intersticiais so relativamente pequenas e, consequentemente, os dimetros dos tomos para se localizarem nessses interstcios tem que ser pequenos

Em geral a concentrao de tomos de impurezas e/ou de elementos de ligas intersticiais pequena (menor que 10%)

Exemplo: carbono no ferro Raio do tomo de carbono = 0,071 mm versus 0,124 mm do ferro

Concentrao mxima em soluo slida de C no Fe de 2%

Imperfeies Cristalinas (cont.)Clculo de Massa Especfica e Peso Atmico:

Imperfeies Cristalinas (cont.)Solues Slidas nos Cermicos:

Igual aos metais, existem solues slidas substitucionais e intersticiais nos cermicos

Para uma soluo slida intersticial o raio inico do soluto deve ser relativamente pequeno em relao ao raio do nion

Para uma soluo slida substitucional o tomo de soluto substituir o on ao qual le mais se assemelha no aspecto eltrico, ction ou nion (p.ex: no NaCl os ons de impurezas Ca+2 e O-2 substituiriam mais provavelmente os ions Na+ e Cl- , respectivamente

Para alcanar qualquer solubilidade slida aprecivel de soluto em solues substitucionais, o tamanho e a carga inica dos seus ons devem ser muito prximas daqueles ons do solvente que les esto substituindo

Caso o on do soluto tenha carga diferente da do solvente que le est substituindo, o cristal deve compensar essa diferena de carga para manter a eletroneutralidade, como, por exemplo, pela formao de defeitos na rede (p.ex. lacunas ou intersticiais)

Imperfeies Cristalinas (cont.)Defeitos Interfaciais:

Contornos bidimensionais que normalmente separam regies dos materiais que possuem estruturas cristalinas e/ou orientaes cristalogrficas diferentes: Superfcies Externas Contornos de Gro Contornos de Fase Contornos de Macla

Superficies Externas:

tomos superficiais no ligados ao mesmo nmero de vizinhos dos tomos do interior do material

Esses tomos esto em estado de energia maior, dando origem a uma energia de superfcie expressa em (J/m2)

Para diminuir essa energia, quando possvel os materiais tendem a minimizar a rea de superfcie livre por unidade de volume (p.ex, lquidos assumem formato de esfera)

Imperfeies Cristalinas (cont.)Contornos de Gro:

Separam dois pequenos gros ou cristais com diferentes orientaes cristalogrficas nos materiais policristalinos

Possui largura de apenas alguns poucos tomos e existe um desajuste atmico na transio de uma orientao cristalina de um gro para outra do gro adjacente

Desalinhamento cristalogrfico entre gros adjacentes pode ser o pequeno ou grande, gerando contornos de baixo ou alto ngulo

tomos no contorno esto ligados de maneira menos regular que no interior do gro, gerando uma energia interfacial ou de contorno de gro semelhante de uma superfcie livre, sendo a magnitude dessa energia funo do grau de desorientao do contorno

Os contornos so quimicamente mais reativos que o interior dos gros e tomos de impurezas tendem a se segregar nos contornos em funo da maior energia

Energia do contorno menor para gros maiores (menor rea/volume) e o crescimento dos gros reduz essa energia

Apesar do arranjo desordenado dos tomos e a falta de uma ligao regular ao longo dos contornos, os materiais policristalinos so muito resistentes e no apresentam variao de densidade em relao ao mesmo material monocristalino

Imperfeies Cristalinas (cont.)Contornos de Fase: Separam duas regies com fases diferentes do mesmo material Fases tm caractersticas fsicas e/ou qumicas caractersticas e, em geral,

estruturas cristalinas tambm diferentes Contornos de fase tm importncia no comportamento mecnico de um

material multifsicoContornos de Macla: Tipo especial de contorno de gro, atravs do qual existe simetria em

espelho da rede cristalina, isto , os tomos de um dos lados do contorno esto localizados em posies de imagem em espelho em relao aos tomos do outro lado do contorno

Regio do material entre esses contornos denominada macla Maclas resultam de deslocamentos atmicos produzidos a partir da

aplicao de foras mecnicas (maclas de deformao) e tambm durante tratamento trmico de recozimento aps as deformaes (macla de recozimento)

Maclas de recozimento so encontradas tipicamente em metais CFC, ao passo que maclas de deformao so encontradas em metais CCC e HC


Outros Defeitos Interfaciais: Falhas de empilhamento: nos metais CFC quando a sequncia de

empilhamento ABCABCABC... dos planos compactos interrompida Paredes de Domnio Ferromagntico: separa regies com diferentes

direes de magnetizao

Imperfeies Cristalinas (cont.)Defeitos Volumtricos ou de Massa:

Porosidades: em geral formadas no processo de solidificao Pela falta de alimentao de lquido entre dendritas causado pela contrao

volumtrica na solidificao em geral de solues slidas

Pelo aprisionamento de bolhas de gases durante solidificao

Incluses Partculas estranhas ao material, em geral formadas em altas temperaturas e

que no se solubilizam durante o processo de fuso e solidificao

Em geral so detrimentais ao desempenho dos materiais

Precipitados Compostos formados durante a solidificao

Muitas vezes so desejados para obteno de determinadas caractersticas


Porosidade


Incluses


Precipitados

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