Imperfeções Em Cristais
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RESUMEN EXAMEN DE QUALIFICAÇÃO 2014 CRISTAIS REAIS
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RESUMEN EXAMEN DE QUALIFICAÇÃO 2014CRISTAIS REAIS
IMPERFEIÇÕES EM CRISTAISPor médio do control de imperfeições nos cristais é possível produzir um conjunto de propriedades mecânicas:
Podem se criar metais e ligas mais resistentes
Imanes mais poderosos
Transistores e células solares com maior desempenho
O controle das imperfeições é por médio da fabricação de ligas, tratamentos térmicos e
técnicas de processamento.
É praticamente impossível obter um material
infinitamente puro. Sempre haverá impurezas presentes na rede
cristalina.
Defeitos Pontuais (dimensão zero)
Vacâncias
Impurezas intersticiais e substitucionais
Defeitos Lineares (dimensão um)
Discordâncias (dislocations)
Defeitos Interfaciais (dimensão dois)
Interfaces e contornos de grão, contornos de macla.
Defeitos Volumétricos (dimensão três)
Vazios, fraturas, inclusões e outras fases.
Dentro da rede cristalina existem inúmeros interstícios, espaços vazios entre os átomos, nos quais é possível alojar outros átomos.
DEFEITOS PONTUAIS
Podem ser gerados por:
Ganancia de energia por aquecimento
Durante o processamento do material
Por médio da introdução de impurezas
Por médio de ligas
H, C
CONCENTRAÇÃO DE DEFEITOS
A partir de um gráfico experimental de ln(CD) versus 1/T é possível determinar a
energia de ativação.
Gráfico de Arrhenius demostra que a concentração de defeitos aumenta
exponencialmente com a temperatura
VACÂNCIAS São criadas no cristal durante a solidificação
a altas temperaturas ou como consequência de danos pela radiação.
Sua quantidade aumenta exponencialmente com a temperatura, segundo a Equação de Arrhenius:
𝐶𝑣=𝑁 𝑣
𝑁=exp (−𝑄𝐷
𝑘𝑇 )❑
Concentração de vacâncias
Vacâncias/cm3
N Átomos/cm3
Energia de ativação produzir uma vacância
k Constante de Boltzmann
T Temperatura absoluta (K)
Para formar defeitos é necessário dispor de energia. Normalmente esta energia é dada na forma de energia térmica.
SÍTIOS INTERSTICIAIS Os espaços entre átomos são conhecidos como sítios intersticiais.
Para cada átomo (ânion), irão existir uma posição octaédrica e dois posições tetraédricas.
DEFEITOS INTERSTICIAISOs átomos localizados nos sítios intersticiais são chamados de átomos intersticiais, também tem numero de coordenação dependendo dos átomos que toca.
Quando os átomossão do mesmo
tamanho, a relaçãode rádios é 1.
NC=12(CFC, HC)
CFC
NC = 4 tetraédrico (0.225–0.414)
CS
Sitio CubicoNC = 8
No meio da célula
CCCSitos OctaédricosNas faces do cubo
NC = 6
NC = 6 Octaedrico Nos centros das aristas
½, 0,0 0, ½, 00,0, ½
½, 1, 0 1, ½, 0 1, 0, ½
½, 0, 1 1, ½, 1 1, 1, ½
½, 1, 1 0, ½, 1 0, 1, ½
No centro da célula : ½, ½, ½
Relação de raios (0.414–0.732)
Relação de raios (0,732 - 1)
NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO
Sal - Gema
NC = 6 para cátions e anions
Duas redes CFC interconectadas, uma composta por anions e a outra
por cátions. Com um cátion localizado no centro do cubo e no centro de cada arista (posições octaédricas ) ou vice-versa.
cátion ânion
CsCl
Cloreto de Cesio
NC = 8 para cátions e anions
Rede cubica simple CS
Intercambio de anions com os catiosn produz a mesma estrutura
cristalina.
ZnS, ZnTe, SiC
Blenda de Zinco - Esfarelita
NC = 4
Rede CFC
Os átomos de Zn preenchem posições tetraédricas no
interior do cubo.
No plano do tipo {111} mostra os cátions
ocupando posições octaédricas intersticiais.
Seção de uma estrutura cristalina de sal de rocha.
Exemplo de uma impureza Intersticial
Carbono em a – Fe (aço)
Átomo de Carbono ocupando um interstício
na estrutura CCC do Ferro O C está altamente comprimido nesta posição, o que implica em baixisima
solubilidade (< 0.022 at % )
DEFEITOS EM CERÂMICOSDefeitos mais complexos do que vacâncias ou átomos intersticiais podem se formar a partir do fato de que a estrutura é formada por íons positivos e negativos.
Defeito de Frenkel
(vacância ligada a átomo intersticial)
Defeito Schottky (vacância
aniônica ligada a vacância
catiônica)
Em materiais com ligações iônicas pronunciadas:
Quando um cátion bivalente (+2) remplaza um cátion monovalente (+1), devera se-eliminar
também um cátion monovalente adicional
para conservar a neutralidade de cargas, criando uma valência.
Quando um íon substitui a outro com carga distinta.
DEFEITOS SUBSTITUCIONAISSão criados quando se remplaza um átomo por outro de tipo distinto. Estes defeitos distorsionam a rede circundante.
Quando o átomo substitucional é maior aos da rede, os átomos circundantes são
comprimidos.
Quando o átomo substitucional é menor aos da rede, os átomos circundantes são
tensionados.
SOLUÇÕES SÓLIDASA presença de impurezas substitucionais gera uma mistura entre os átomos das impurezas e os do material, gerando uma solução sólida. Para que haja total miscibilidade entre dois metais, é preciso que eles satisfaçam as seguintes condições:
Regras de Hume-Rothery
Seus raios atômicos não difiram de mais de 15%
Tenham a mesma estrutura cristalina
Tenham eletronegatividades similares
Tenham a mesma valência
DEFEITOS LINEARES -DISCORDÂNCIAS
São imperfeições lineares em uma rede introduzidas na rede durante o processo de solidificação do material, a deformação plástica e como consequência das tensões térmicas resultantes de um resfriamento rápido.
São responsáveis pelo comportamento mecânico dos materiais quando submetidos a cisalhamento.
São responsáveis pelo fato de que os metais são cerca de 10 vezes mais “moles” do que deveriam.
Existem dois tipos fundamentais de discordâncias:
Discordância em linha (edge dislocation)
Discordância em hélice (screw dislocation
Discordâncias em linha - Aresta
É uma parte extra de um plano de átomos cuja aresta termina no interior do cristal.
E um tipo de defeito linear centralizado ao redor da linha da discordância (linha perpendicular ao plano da página ao longo da extremidade do semipleno extra de átomos). Deformação de
compressãoOs átomos acima da linha da discordância são pressionados uns contra os outros.
Deformação de traçãoOs átomos abaixo da linha da discordância são afastados uns em relação aos outros
A discordância em linha corresponde à borda (edge) do plano extra.
A energia aumenta ao redor do defeito devido a que os átomos estão em compressão ou tensão.
Tensão de cisalhamento
Plano de escorregamento
Linha de discordância aresta
Vetor de Burgesb
O vetor de Burgers é perpendicular à discordância
Linha de discordânciaVetor de Burges b
Discordâncias em hélice - Espiral
Aquela gerada por uma tensão cisalhante aplicada para produzir a distorção.
Deformação cisalhante
Os átomos sufrem apenas este tipo de deformação, sua magnitude disminui
em função da distancia radial a partir da discordancia.
o Posições designadas acima do plano de escorregamento Posições designadas acima do plano de escorregamento
O vetor de Burgers é paralelo
à discordância
VETOR DE BURGERS
Cristais com discordância
O circuito não se fecha. O vetor necessário para fechar o circuito é o vetor de Burgers, b, que caracteriza a discordância.
Cristal Real
Tanto a magnitude de b quanto a direção irão depender da estrutura cristalina, podem se especificar em termos do comprimento da aresta da célula unitária e dos índices das direções cristalográficas.
O esforço PEIERLS – NABARRO é o esforço cortante requerido para mover a discordancia de uma localiçãcao de equilíbrio a outra
]d: Distancia interplanar entre planos de deslizamento adjacentesb: Vetor de Burgersc, k são constantes do material
Discordâncias Mistas
O vetor de Burgers mantém uma direção fixa no espaço. A maioria das discordâncias encontradas nos materiais cristalinos exibe componentes de ambos tipos.
Onde a discordância é pura hélice, b é paralelo a discordância.
Onde a discordância é pura linha, b é perpendicular a discordância
Embora uma discordância poda mudar de direção
dentro de um cristal, o seu vetor
burgers será o mesmo em todos
os pontos ao longo de sua linha
Para materiais metálicos b para uma discordância irá apontar para uma direção cristalográfica compacta e terá uma magnitude igual
à do espaçamento interatômico.
DISCORDÂNCIAS E DEFORMAÇÃO PLÁSTICAA deformação permanente da maioria dos materiais cristalinos se dá pelo movimento de discordâncias.
Em outras palavras, a deformação plástica corresponde ao movimento de um grande numero de discordâncias.
O processo segundo o qual uma deformação plástica é produzido pelo movimento de uma discordância é denominado escorregamento.
A deformação plástica macroscópica corresponde à
deformação permanente que resulta do
escorregamento, em resposta à aplicação de
uma tensão de cisalhamento
A linha da discordância se move paralelo à direção da tensão de cisalhamento aplicada t
No movimento de uma discordância em espiral em resposta a uma tensão de cisalhamento, a direção do movimento da linha da discordância é perpendicular à direção da tensão.
O resultado final é o mesmo!!
Uma discordância de arista se move em resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento em uma direção perpendicular à sua linha.
Se a tensão de cisalhamento aplicada possui uma magnitude suficiente, as ligações interatômicas do plano B são rompidas ao longo do plano de cisalhamento e a metade superior do plano B se torna o semipleno extra, na medida em que o plano A se liga à metade inferior do plano B.
Este processo é repetido para otros planos de modo que o plano extra se move a traves de sucessivas e repetidas quebras de ligações e deslocando-se pelas distancias interatômicas dos semi-planos superiores.
Tensão de cisalhamento
Tensão de cisalhamento
Tensão de cisalhamento
Plano de escorregamento
Linha de discordância aresta
Degrau unitário deescorregamento
Os campos de deformação ao redor das discordâncias que estejam próximas umas das outras podem interagir de tal forma que são impostas forças sobre cada discordância.
Duas discordâncias aresta de mesmo sinal e localizadas
sobre o mesmo plano de escorregamento exercem
uma força de repulsão uma sobre a outra.
Discordâncias aresta de com sinais opostos
localizadas sobre o mesmo plano de escorregamento
exercem uma força de atração uma sobre a outra.
Ao se encontrarem, elas se aniquilam mutuamente deixando uma região de cristal perfeito
As discordâncias não se movem com o mesmo grau de facilidade em todos os planos cristalográficos de átomos e em todas as direções cristalográficas. O plano de escorregamento e a direção de escorregamento (plano e direção preferenciais) em conjunto conformam o sistema de escorregamento.
Densidade de discordâncias (mm de discordancia/mm 3)
O numero de discordâncias em um material é expresso como o comprimento total de discordâncias por unidade de volume (número de discordâncias que intercepta um área unitária de uma seção aleatória)
O tratamento térmico de uma amostra de um metal deformado pode reduzir a densidade de discordâncias até uma ordem de 105 a 106 mm-2.
A discordância se move em aquele sistema de deslizamento que requer o minimo consumo de energia.
As discordâncias no se movem facilmente em materiais como Si, ou nos polímeros. Devido a que estes possuem ligações covalentes. Os materiais falham em forma frágil antes da foça ser o suficientemente alta para gerar um escorregamento apreciável. Isto se dá pela resistência e direcionalidade das ligações covalentes.
O material cerâmico pelo geral apresenta falha frágil antes de que as deslocações se movimentem.
Os materiais com ligação iônica (xex MgO) oferecem resistência ao escorregamento. O movimento de discordâncias rompe o equilíbrio de cargas ao redor de ânions e cátions, fazendo que as ligações entre ânions e cátions se desfaçam. Durante o escorregamento os íons com carga similar também devem passar perto um do outro o que causa repulsão. Alem disso, o vetor de Burgers é maior que em metais.
DEFEITOS INTERFACIAISSão contornos que possuem dois dimensões e que normalmente separam regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas.
Superfícies externas
Os átomos na superfície de um material não estão ligados ao numero máximo de vizinhos mais próximos, e estão por tanto em um estado de maior energia comparado com os átomos dentro do material “bulk”
Essas ligações incompletas dão origem a uma energia de superfície expressa em (J/m2 ou erg/cm2)
Para minimizar essa energía os materiais tendem a minimizar a área total de sua superficie quando for possível. xex formação de gotículas nos líquidos.
CONTORNOS DE GRÃOSão possíveis vários graus de
desalinhamento cristalográfico entre grãos adjacentes.
Quando o ângulo de desorientação é paralelo ao
contorno, tem se como resultado um contorno de
torção descrito por um arranjo de discordâncias espirais
Contorno de grão de baixo ângulo: desalinhamento na
orientação pequeno
São formados quando discordâncias de aresta estão
alinhadas, também são chamados de “contorno de
inclinação”O ângulo de rotação é pequeno (< 15º)
Energia interfacial de contorno de grão.
Existe uma energia interfacial ou de contorno de grão, cuja magnitude é função do grão de desorientação, sendo maior para contornos com ângulos altos.
Como consequência dessa energia, os contornos de grão são mais reativos quimicamente.
Também, devido a isso, os átomos de impurezas se segregam preferencialmente ao longo dos contornos.
Materiais com tamanhos de grão mais finos, tem valores maiores de energia interfacial de contorno de grão.
Os grãos crescem a temperaturas elevadas para reduzir a energia total dos contornos.
é o esforço de cedência do material ou o esforço sob o qual o material é deformado permanentemente
d é o diâmetro médio dos grãos , k são constantes do metal
A forma de especificação do tamanho de grão e o numero de grão ASTM, designado por n. É determinado o numero de grãos por polegada (N) quadrada a partir da micrografia da superfície com ampliação x100 e remplazado na seguinte equação.
Um numero grande n indica grãos pequenos, ou seja, resistência mecânica alta
Equação de Hall-Petch Correlaciona o tamanho de grão com a tensão limite de escoamento (esforço de
cedência) do material.
Tamanho de grão
n aumenta com o aumento de N.
n aumenta com a diminuição do tamanho de grão.
𝜎 𝑙=𝜎𝑜+𝑘𝑙𝑑−1/2
CONTORNOS DE MACLA Maclas de deformação
Por deslocamentos atômicos produzidos a partir de forças mecânicas de cisalhamento, tipicamente encontradas em estruturas CCC e HC.
Maclas de recozimento
Formadas durante tratamentos térmicos de recozimento realizados após deformações, tipicamente encontradas em estruturas CFCÉ um tipo especial de contornos de grão com
simetria espelhada.
Após da a aplicação de tensão mecânica no cristal perfeito, causa um deslocamento de átomos causando a formação de uma macla.
Os contornos de macla interfirem no processo de escorregamento aumentando a resistência do metal.
O movimento dos contornos de macla podem fazer que um metal se deforme.
Para um monocristal submetido a uma tensão de cisalhamento t
Deformação por
Escorregamento
Deformação por
Maclação
Na maclação, irá existir uma
reorientação a partir do plano da
macla.
Maclas de deformação
ocorrem em metais com
Estruturas CCC e HC
Baixas temperaturas
Taxas de carregamento
elevadas
Para o escorregamento,
a orientação cristalográfica
acima e abaixo do plano de
escorregamento é e mesma tanto antes quanto
depois da deformação.
A maclação pode colocar novos sistemas de escorregamento em orientações tales que processos de escorregamento por
deformação podam ocurrir.
OUTRAS FRONTEIRAS Fronteira de grande ângulo
Fronteira de rotação com ângulos maiores do que 15º. Mais difícil de interpretar (unidades estruturais).
Falha de empilhamento:
cfc - deveria ser ...ABCABC... e vira ...ABCBCA...
hc - deveria ser ...ABABAB... e vira ...ABBABA...
Fronteiras magnéticas ou parede de spin
Em materiais magnéticos, separam regiões com orientações de magnetização diferentes.
Num cristal perfeito, o arranjo fixo e repetido dos átomos tem o nivel de energía mais baixo possível dentro do cristal. Qualquer imperfeição na rede aumenta a energia interna no lugar do defeito.
A energia aumenta ao redor do defeito devido a que os átomos estão em compressão ou tensão.
Energias das imperfeições de superfície em materiais selecionados
Imperfeção de superfície Al Cu Pt Fe
Energia por falha de apilhamento 200 75 95
Energía por contorno de macla 120 45 195 190
Energía por contorno de grão 625 645 1000 780
MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIAA deformação plástica depende diretamente do movimento das discordâncias. Quanto maior a facilidade de movimento, menos resistente é o material.
Para aumentar a resistência em metais monofásicos, procura-se restringir o movimento das discordâncias. Os mecanismos básicos para isso são:
Redução de tamanho de grão
Solução sólida
Deformação a frio (encruamento, trabalho a frio, strain hardening, cold working)
Se a discordancia no ponto A se
mover bem mais à direita quedará bloqueada por um contorno de grão.
Se a discordancia no ponto A se mover à
esquerda, é bloqueada pelo defeito pontual.
Se a discordancia no ponto A se mover à
direita, entrara a interatuar com a
rede desordenada perto da segunda discordância no
ponto B.
Podemos controlar a
resistencia de um material
controlando o numero e tipo
de imperfeições presentes
Se a discordancia encontrar no seu paso
uma região onde os átomos estão
deslocados de seus posições de equilíbrio,
se precisará um esforço maior para a
discordância se mover, pelo tanto o
material é mais resistente
Um método para controlar as propriedades de um material é controlando o tamanho dos grãos. Uma redução no tamanho de grão aumento o numero de contornos de grão, qualquer discordância se movera somente uma distancia corta antes de encontrar um contorno de grão, aumentando assim a resistência do metal.
O tamanho de grão pode se controlas por médio de:
Solidificação Geração de ligas Tratamento térmico
Redução no tamanho de grão
Aumento do numero de
Contornos de grão
Aumento da Resistência e Tenacidade de metais e ligas
Os contornos de baixo ângulo não são eficazes em
interferir no processo de escorregamento
Os contornos de macla irão bloquear efetivamente o
escorregamento
Aumento da resistência do material por Solução sólida.
Nesta técnica, a presença de impurezas substitucionais ou intersticiais leva a um Aumento da resistência do material. Metais ultra puros são sempre mais macios e fracos do que suas ligas.
Uma deslocação movendo-se nas cercanias de um defeito puntual encontra uma rede na qual os átomos não estão em suas posições de equilíbrio, esta alteração requer que seja aplicado um
esforço maior pra obrigar à deslocação a vencer o defeito, aumentando a resistência do material.
Deformações de tração Deformações compressivas
ENCRUAMENTO (ENDURECIMENTO POR TRABALHO, TRABALHO EM FRIO)
Área original da seção transversal Área após da deformação
Quando um material é deformado plásticamente se torna mais duro e resistente. Esto é explicado com base em interações entre as discordancias e os campos de deformação das discordancias durante a deformação plástica o número de discordancias aumenta drásticamente.
Na media, as interações discordâncias-deformações das discordâncias são repulsivas, então o movimento de uma discordância é dificultado pela presencia de outras discordâncias.
O efeito do encruamento pode ser removido mediante um tratamento térmico por recozimento.
A temperatura ambiente não é possível que um material cerâmico encrue, devido a sua fragilidade ele irá fraturar antes de que a deformação plástica ocorra.
