DEFEITOS CRISTALINOSConceitos Gerais

CAPA 1

CAPA 2

1 – Defeitos atômicos usados para reduzir a emissão de poluentes2 – Conversor catalítico – poluente é retido pelo material que tem esta capacidade em função da geração de Defeitos

(d) Imagem em alta resolução TEM do defeito(c)Substrato cerâmico onde o conversor é depositad(b)Esquema do dispositivo(a) Representação do local onde odispositvo é instalado

Defeitos

DIMENSÃO

Imperfeições nos sólidos

Defeito 1

Defeito 2

DEFEITOS EM CRISTAIS

Ordem

Desordem

Material Policristalino

Conceito de perfeição Presença de defeitos

DEFINIÇÃO

Defeito cristalino: imperfeição do reticulado cristalino

• Classificação dos defeitos cristalinos:

• Defeitos puntiformes (associados com uma ou duas posições

atômicas): lacunas e átomos intersticiais.

• Defeitos de linha (defeitos unidimensionais): discordâncias

• Defeitos bidimensionais (fronteiras entre duas regiões com

diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações

cristalográficas): contornos de grão, interfaces, superfícies

livres, contornos de macla, defeitos de empilhamento.

• Defeitos volumétricos (defeitos tridimensionais): poros, trincas

e inclusões.

Defeitos Pontuais - Motivos

• Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal real estão sempre

vibrando.

• Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a chance de

átomos saírem de suas posições, deixando um vazio em seu lugar.

• Por outro lado, dentro da rede cristalina existem inúmeros interstícios,

espaços vazios entre os átomos, nos quais é possível alojar outros átomos.

• Finalmente, é praticamente impossível obter um material infinitamente

puro. Sempre haverá impurezas presentes na rede cristalina.

Defeitos Pontuais – Lacunas/Intersticial

LACUNA AUTO INTERSTICIAL

• Lacuna (“vacancy”) Vazios ou

Vacâncias : ausência de um átomo em

um ponto do reticulado cristalino.

• Existe uma concentração de equilíbrio

de lacunas.

• São formados durante a solidificação

em cristais ou como resultado das

vibrações atômicas

onde:

N = número total de posições atômicas

NL =número de lacunas

QL =energia de ativação para formação

k =constante de Boltzmann

T = temperatura absoluta

• Auto-intersticial: é um átomo extra que

ocupa um interstício da estrutura cristalina.

• Os defeitos auto-intersticiais causam uma

grande distorção do reticulado cristalino a

sua volta.

• A formação de um defeito intersticial

implica na criação de uma vacância, por

isso este defeito é menos provável que

uma vacância

Defeitos Pontuais – Impurezas

• É impossível existir um metal consistindo de um só tipo de átomo (metal puro).

• As técnicas de refino atualmente disponíveis permitem obter metais com um

grau de pureza no máximo de 99,9999%.

99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3

• Impurezas poderão assumir dois tipos de posição na rede cristalina de outro

material

Interstícios - espaços vazios na rede

Substituindo - um átomo do material

Impureza intersticial - um exemplo

Fundamental Carbono em α-Ferro

(aço)

• Solução sólida substitucional: os

átomos de soluto substituem uma

parte dos átomos de solvente no

reticulado.

• Solução sólida intersticial: os

átomos de soluto ocupam os

interstícios existentes no reticulado.

Defeitos Pontuais – Influência na estrutura cristalina

Defeitos Pontuais – Ligas Metálicas

As 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.

Solução Sólida – ex solução líquida

Solução Sólida – Substitucional

• Raio atômico deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase

• Estrutura cristalina mesma

• Eletronegatividade próximas

• Valência mesma ou maior que a do hospedeiro

FATORES QUE INFLUEM NA FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES

SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS

REGRA DE HOME-ROTHERY

Solução Sólida – Substitucional (exemplo)

• 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

Solução Sólida – Substitucional (exemplo)

• Cu + Ni são solúveis em todas as proporções

A liga CuNi 90/10 é de aplicação

extremamente versátil, que combina

excelente resistência a corrosão por água

marinha, aliado a boas características de

propriedades mecânicas além de alta

ductilidade, a liga contém

aproximadamente 10% de Níquel, com

pequenas adições de ferro e manganês

com o propósito de aumentar a

resistência á água salgada e a erosão

proveniente da areia transportada pela

água, os materiais podem ser

apresentados na forma de barras, tubos,

curvas, e conexões,

Solução Sólida – Substitucional (exemplo)

• Cu + Ni são solúveis em todas as proporções

Além das aplicações, em plataformas

OFF-SHORE, existem ainda aplicações

em navios de pesca, em empresas de

Energia Elétrica e também em indústrias

químicas. Os equipamentos normalmente

fabricados são condensadores e

trocadores de calor, tubos para condução

de água salgada, centrais de destilação e

o revestimento dos porões nos navios de

pesca onde as qualidades anti-corrosivas

do aço UNS C70600 são comprovadas.

Solução Sólida – Substitucional (exemplo)

Solução Sólida – Intersticial

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

Solução Sólida – Intersticial (exemplo)

• 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

O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando

a temperatura próxima da transformação alotrópica?

Ligas e Joalheria

Mas porque ligamos o ouro?

- As propriedades físicas e mecânicas do material são alteradas,

- o preço do material diminui,

- e a cor sofre alteração.

Variando-se as proporções de cobre e prata em uma liga de ouro 750 (18k), obtemos

diversas tonalidades:

-Ouro verde: apenas prata ou grande porcentagem

-Ouro pálido: proporção maior de prata que de cobre

-Ouro amarelo: quantidades de prata e cobre proporcionais

-Ouro vermelho: apenas cobre (ou grande porcentagem deste na liga).

Defeitos Pontuais – Sólidos Iônicos

Solução Sólida

X

Formação de uma segunda fase

Defeitos Lineares

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.

Ou seja, Estes defeitos ocorrem em alta densidade e são muito importante quanto as

propriedades mecânicas dos materiais.

Discordâncias são mudanças abruptas na ordem regular dos átomos ao longo de uma

linha (linha de discordância) no sólido.

Existe uma linha separando a seção perfeita, da seção deformada do material. São

responsáveis pelo comportamento mecânico dos materiais quando submetidos a

cisalhamento.

As discordâncias podem ser em aresta, em espirais ou como uma combinação das duas

(mista)

Discordância em linha ou cunha (edge dislocation)

Discordância em hélice ou espiral (screw dislocation)

Defeitos Lineares

Dá a magnitude e a direção de distorção da rede

Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância

VETOR DE BURGER (b)

Este vetor é encontrado unindo

por uma linha imaginária os

átomos em torno da linha de

discordância (loop) .

Quando este caminho mostra um

espaçamento extra necessário

para encontrar o primeiro e último

átomo, encontramos a dimensão

do vetor de burgers.

Defeitos Lineares - Cunha

Envolve um SEMI-plano extra de átomos

O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância

Envolve zonas de tração e compressão

Defeitos Lineares - Hélice

Defeitos Lineares -mista

Sistemas de deslizamentos

O cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica,

por isso a densidade das mesmas depende da orientação cristalográfica

As discordâncias geram vacâncias

As discordâncias influem nos processos de difusão

As discordâncias contribuem para a deformação plástica

Defeitos Bidimensionais

• Interface: contorno entre duas fases diferentes.

• Contornos de Grão: contornos entre dois cristais sólidos da mesma fase.

• Superfície Externa: superfície entre o cristal e o meio que o circunda

• Contorno de Macla: tipo especial de contorno de grão que separa duas

regiões com uma simetria tipo ”espelho”.

• Falhas de Empilhamento: ocorre nos materiais quando há uma

interrupção na seqüência de empilhamento, por exemplo na seqüência

ABCABCABC.... dos planos compactos dos cristais CFC.

Defeitos Interface

•É o mais óbvio

•Na superfície os átomos não estão completamente ligados

•Então o estado energia dos átomos na superfície é maior que no

interior do cristal

•Os materiais tendem a minimizar está energia

•A energia superficial é expressa em erg/cm2 ou J/m2)Superfície

Defeitos Contorno de grão

Quando o desalinhamento entre os grãos vizinhos é grande (maior que ~15o), o

contorno formado é chamado contorno de grão de alto ângulo.

• Se o desalinhamento é pequeno (em geral, menor que 5o), o contorno é

chamado contorno de pequeno ângulo, e as regiões que tem essas pequenas

diferenças de orientação são chamadas de subgrãos.

UM CRISTAL = UM GRÃO

Há um empacotamento ATÔMICO menos

eficiente

Há uma energia mais elevada

Favorece a nucleação de novas fases

(segregação)

favorece a difusão

O contorno de grão ancora o movimento

das discordâncias

Contorno de Grão

Defeitos Contorno de grão

Defeitos Contorno de grão

Defeitos Contorno de grão

LINGOTE DE ALUMÍNIO POLICRISTALINO

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

Discordância e Contorno de Grão

A passagem de uma discordância através do contorno

de grão requer energia

DISCORDÂNCIA

- Inclusões Impurezas estranhas

- Precipitados são aglomerados de partículas

cuja composição difere da matriz

- Fases forma-se devido à presença de

impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite

de solubilidade é ultrapassado)

- Porosidade origina-se devido a presença ou

formação de gases

Defeitos Volumétricos

Defeitos Volumétricos

Inclusões

INCLUSÕES DE ÓXIDO DE

COBRE (Cu2O) EM COBRE DE

ALTA PUREZA (99,26%)

LAMINADO A FRIO E RECOZIDO

A 800o C. COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO A 1150oC,

POR 120min EM ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO

Porosidade

Defeitos Volumétricos

Fases

Ferro fundido

CARACTERÍSTICAS DAS

DISCORDÂNCIAS IMPORTANTES PARA

AS PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Quando os metais são deformados plasticamente cerca de 5% da energia é retida internamente, o restante é dissipado na forma de calor.

• A maior parte desta energia armazenada está associada com as tensões associadas às discordâncias

• A presença de discordâncias promove uma distorção da rede cristalina de modo que certas regiões sofrem tensões compressivas e outras tensões de tração.

INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS

• ATRAÇÃO • REPULSÃO

Mecanismos de aumento

de resistência dos metais

• Aumento da resistência por adição de elemento de liga

(formação de solução sólida ou precipitação de fases)

• Aumento da resistência por redução do tamanho de

grão

• Aumento da resistência por encruamento

• Aumento da resistência por tratamento térmico

(transformação de fase): será visto posteriormente

INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM

SOLUÇÕES SÓLIDAS

Quando um átomo de uma impureza esta presente, o

movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se

fornecer energia adicional para que continue havendo

escorregamento. Por isso soluções sólidas de metais são

sempre mais resistentes que seus metais puros onstituintes