7/25/2019 Unidade IV - Imperfeies Em Slidos
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FACULDADE FANOR
DeVry
Brasil
Curso de Engenharia
Disciplina: Cincia dos Materiais
UNIDADE IV
Imperfeies em slidos
Fortaleza 2015
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INTRODUO
Conhecer as imperfeies nos arranjos
cristalinos;
Tipos de imperfeies ;
Importncia dos defeitos e sua
importncia nas propriedades dos
materiais.
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4.1 Introduo ao defeitos cristalinos
DEFEITOS EM SLIDOS CRISTALINOS
so desvios em relao estrutura de
um cristal perfeito, descontinuidades ou irregularidades da rede cristalina.
Estas irregularidades podem ser:
NA POSIO DOS TOMOS.
NO TIPO DE TOMOS.
O tipo e o nmero de defeitos dependem do material, do meio ambiente e
das condies de processamento do material.
De acordo com a geometria (dimensionalidade), so classificados em:
PONTUAIS (dimenso zero).
LINEARES (unidimensionais).
INTERFACIAIS (bidimensionais).
VOLUMTRICOS (tridimensionais).
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4.2 Defeitos Pontuais Vacncia e Auto-intersticiais
Os defeitos pontuais normalmente encontrados nos metais so: LACUNA OU VACNCIA: posio vazia na rede cristalina;
Formam-se durante a solidificao ou como resultado do deslocamento dostomos de suas posies normais (VIBRAES ATMICAS).
O nmero de lacunas existentes em um material aumentaexponencialmente com a temperatura segundo a expresso:
05
Texp
kQNN vv
Onde:Nv: nmero de lacunas.N: nmero total de posies na rede.Qv: energia necessria para se criar uma lacuna.T: temperatura absoluta [K].k: constante de Boltzmann (1,38x10-23 J/tomoK ou
8,62x10
-5
eV/tomoK).
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4.2 Defeitos Pontuais Vacncia e Auto-intersticiais
AUTO-INTERSTICIAL: tomo da prpria rede ocupando
um interstcio. Ocorre em freqncia muito menor do
que a lacuna por gerar maiores deformaes na redecristalina do material.
05
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Lacuna
Auto-intersticial
tomo de impureza
substitucional
tomo de impurezaintersticial
4.2 Defeitos Pontuais Vacncia e Auto-intersticiais
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SOLUO: inicialmente, determina-se o nmero N de stiosatmicos em V = 1 m3 = (1 m)3 = (102 cm)3 = 106 cm3:
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Calcule o nmero de lacunas em equilbrio/m3 de cobre a 1000 C. A energia para aformao de uma lacuna 0,9 eV/tomo. O peso atmico e a densidade (a 1000 C)para o cobre so 63,5 g/mol e 8,4 g/cm3, respectivamente.
AVN
AN
3283623
3 tomos/cm100,8g/mol63,5
cm10tomos/mol10023,6g/cm4,8
NN
Ento, para T = 1000 C = 1000 + 273 K = 1273 K:
K1273eV/K108,62
eV9,0exptomos/cm100,8
Texp
5-
328
vv
v Nk
QNN
325 lacunas/cm102,2 vN
A
VNAN
Nv/N = 2,2 1025/ 8,0 1028
Nv/N ~ 0,0275% dos stios atmicos ESTO VAZIOS.
4.2 Defeitos Pontuais Vacncia e Auto-intersticiais
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Impurezas ou tomos estranhos estaro SEMPRE presentes nos materiais de uma forma
geral.
IMPOSSVEL obter um METAL PURO constitudo por apenas um tipo de tomo. Com
pureza de 99,9999%, h ~ 1022
a 1023
tomos/m3
. Nas LIGAS, os tomos de impurezas so adicionados para se conferir caractersticas
especficas aos materiais: aumentar a resistncia mecnica, corroso, a condutividade
eltrica. Exemplo: liga DURALUMNIO (96% Al + 4% Cu) 10 VEZES MAIS RESISTENTE
MECANICAMENTE do que o alumnio puro, sendo empregada na indstria aeronutica. A adio de tomos de impureza a um metal pode resultar em uma SOLUO SLIDA e/ou
em uma NOVA FASE. No primeiro caso, fala-se em SOLVENTE (elemento em maior
concentrao) e SOLUTO (elemento em menor concentrao).
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4.3 Impurezas em slidos
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Soluo slida: ao com0,06%p de C
Duas fases:ao com1,4%p de C
4.3 Impurezas em slidos
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Podem ser de dois tipos:
SUBSTITUCIONAIS: os tomos do soluto (impureza) tomam o lugar dos tomos do
solvente (TOMOS HOSPEDEIROS). Exemplo: Cu + Zn.
INTERSTICIAIS: os tomos de impureza ocupam os interstcios entre os tomos dosolvente. O raio atmico do soluto deve ser substancialmente menor do que o do
solvente. Concentrao mxima:
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O raio do interstcio existente no centro de cada face da clula CCC pode ser
determinado como se segue. Dados: raio atmico do ferro e do carbono, RFe =0,124 nm = 1,24 e RC = 0,071 nm = 0,71 . Das figuras abaixo, segue-se:
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Para a clula CCC, , logo:
FeR
2
r a
int
3
4RFea
rint
Plano (200)
a/2
RFe 3
R32R
3
2Rr FeFe
Fe int
A0,193
A1,2432r int
Rc/rint = 0,71/0,19 = 3,7, o que explica a baixssima solubilidade doC no Fe- (mxima de 0,022%p a 727C)
Exemplo
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Grau de mistura entre soluto e solvente, depende:
1. TAMANHOS SEMELHANTES: raios atmicos no podem diferir emmais do que 14-15%.
2. MESMA ESTRUTURA CRISTALINA.
3. ELETRONEGATIVIDADE SEMELHANTE.
4. MESMO NMERO DE VALNCIA.
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4.3 Impurezas em slidos Hume-Rothery
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Especifica a composio pelas formas a seguir: % em peso (%p) (kg do componente/kg da mistura):
Onde m1 e m2 representam, respectivamente, o peso (ou massa)doselementos 1 e 2.
% molar/atmica (n de moles do componente/n de moles da mistura):
Onde nm1 e nm2 representam, respectivament, o n de moles dos elementos
1 e 2.
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15
100
mm
mC
21
11
1
1m1
A
'mn
4.3 Impurezas em slidos Especificao dacomposio
100nn
nC'
m2m1
m11
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4.3 Impurezas em slidos Composies de ligasbinrias: converses
Porcentagem em peso PARA porcentagem atmica:
Porcentagem atmica PARA porcentagem em peso:
16
100
1A2C2A1C
2A1C
1C'
100
1A2C2A1C
1ACC 2
2
'
100
1A2C2A1C
2A1C
1C
''
'100
1A2C2A1C
1AC'C 2
2
''
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Porcentagem em peso PARA massa por unidade de volume (kg/m3):
Onde C a massa do componente/volume da mistura, a densidade docomponente (em kg/m3).
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17
3
2
2
1
1
11"
10
C
C
CC
3
2
2
1
1
22"
10
C
C
CC
4.3 Impurezas em slidos Composies de ligasbinrias por volume de material
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DENSIDADE PESO ATMICO
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18
2
2
1
1med
C
C
100
2
2
'
2
1
1
'
1
2'21
'1
med
AC
AC
ACAC
2
2
1
1med
A
C
A
C
100A
100
ACACA 2
'21
'1
med
4.3 Impurezas em slidos Determinao de densidadee peso a partir da composies de ligas binrias
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DISCORDNCIA: defeito unidimensional em torno do qual h um
desalinhamento de tomos.
ORIGEM: solidificao, deformao plstica, tenses trmicas (resfriamento
rpido).
Responsveis pela deformao plstica de slidos cristalinos
(especialmente metais).
TIPOS DE DISCORDNCIAS Aresta.
Espiral.
Mista.20
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4.4 Discordncias Defeitos lineares
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Corresponde aresta de um semiplano adicional de tomos. representada pelo smbolo .
Gera tenses de trao/compresso na rede.
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4.4 Discordncias tipo Aresta
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Os tomos formam uma trajetria helicoidal em tornoda linha da discordncia.
23
4.4 Discordncias tipo espiral
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Apresenta caractersticas de discordncias aresta e espiral.
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4.4 Discordncias tipo mista espiral +aresta
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Em um cristal perfeito, os pontos inicial de final de um circuito de mxn distncias
atmicas coincidem.
O VETOR DE BURGERS o vetor necessrio para se fechar um circuito traado em
torno de uma discordncia, ligando o ponto final ao inicial.
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25
5
5
4
4
545
4
Cristal perfeito Cristal com discordncia emaresta
4.4 Discordncias Vetor de Burgers
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O vetor de Burgers constante. Sua magnitude igual distncia interatmica.
Caracteriza a natureza da discordncia (aresta, hlice ou mista):
ARESTA: o vetor perpendicular linha de discordncia.
ESPIRAL: o vetor paralelo linha de discordncia.
MISTA: o vetor no perpendicular, nem paralelo linha de discordncia.
(a) (b) (c)
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4.4 Discordncias Vetor de Burgers
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Tecnologia dos Materiais
Defeitos em Slidos Cristalinos
Deformao plstica refere-se a mudana irreversvel de forma, que
permanece mesmo aps a remoo que causou a deformao;
Deformao elstica mudana temporria de forma, relacionada ao
estiramento das ligaes atmicas;
Deformao plstica movimento das discordncias;
Deslizamento realizado pelas discordncias proporciona ductilidade do
material;
O aumento das discordncias dificulta seu movimento, aumentando a
resistncia do material;
Observaes das discordncias
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So contornos que possuem duas dimenses e, normalmente,
separam regies dos materiais de DIFERENTES ESTRUTURAS
CRISTALINAS e/ou ORIENTAES CRISTALOGRFICAS.
Essas imperfeies incluem, entre outros:
Superfcie externa.
Contorno de gro.
Contorno de macla.
Falhas de empilhamento.
Fronteiras entre fases. 28
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4.5 Defeitos Interfaciais
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o tipo de contorno (defeito planar) mais bvio, ao longo do qual termina aestrutura do cristal.
Na superfcie, os tomos no esto ligados ao nmero mximo de vizinhos maisprximos. Isto implica que esto em um estado energtico maior do que o dostomos do interior do cristal.
Esta energia adicional gera uma ENERGIA DE SUPERFCIE (J/m2).
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tomo normal
tomo com maior energia
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4.5 Defeitos Interfaciais Superfcies externas
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Materiais POLICRISTALINOS so formados por um grande nmero de cristais comdiferentes orientaes cristalogrficas (GROS). Cada cristal formado por inmerasclulas unitrias.
CONTORNO DE GRO: superfcie que separa dois cristais adjacentes. Essa fronteira um defeito bidimensional.
No interior do gro todos os tomos esto arranjados segundo umNICO MODELO e
NICA ORIENTAO, caracterizada pela clula unitria.
De modo semelhante superfcie, os tomos do contorno de gro possuem um estadoenergtico mais elevado do que os tomos do interior do gro. Por isso eles so MAIS
QUIMICAMENTE REATIVOS.
30
GRO = CRISTAL
4.5 Defeitos Interfaciais Contornos de gro
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Mudanas de fase e segregao de tomos de impureza ocorrem
preferencialmente ao longo do contorno de gro.
GROS GRANDES MENOR REA DO CONTORNO DE GRO MENOR
ENERGIA SUPERFICIAL.
GROS PEQUENOS MAIOR REA DE CONTORNO DE GRO MAIORENERGIA INTERFACIAL.
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4.5 Defeitos Interfaciais Contornos de gro
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um tipo especial de contorno de gro, onde existe uma simetria emESPELHO da rede cristalina: Os tomos de um lado do contorno soIMAGENS dos tomos do outro lado do contorno.
A macla ocorre num plano definido e numa direo especfica, conforme aestrutura cristalina.
Formam-se pela aplicao de tenso
mecnica (MACLAS DE DEFORMAO)ou em tratamentos trmicos de recozimento
(MACLAS DE RECOZIMENTO).
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Plano de macla (twinplane)
4.5 Defeitos Interfaciais Contornos de gro
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So normalmente introduzidos durante oprocessamento e a fabricao do material.
Tipos:
POROS.
TRINCAS.
OUTRAS FASES.
INCLUSES.
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Incluses de xido de cobre (Cu2O) emcobre de alta pureza (99,26%)
4.6 Defeitos Volumtricos ou de massa
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Os tomos de todo material slido a uma temperatura acima de 0 K
no esto em repouso, mas sim VIBRANDO em torno de posies
mdias.
A uma dada temperatura, nem todos os tomos esto vibrando com
a mesma freqncia e amplitude.
FREQNCIA TPICA TEMPERATURA AMBIENTE: 1013 vibraes/s,com amplitude de poucos milsimos de nanmetro
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4.7 Vibraes atmicas
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Imagem no
microscpioMicroscpio
Ranhura
Superfcie
polida eatacada
4.9 Microscopia microscopia tica
Preparao: lixamento, polimento, ataque;
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MICROSCOPIA ELETRNICA: utiliza feixe de eltrons ao invs de
radiao luminosa.
MICROSCOPIA ELETRNICA DE TRANSMISSO (MET)
Ampliaes de at 1.000.000X
MICROSCPIO ELETRNICO DE VARREDURA (MEV)
Ampliaes de 10 a mais de 50.000X
MICROSCPIO COM SONDA DE VARREDURA (MSV)
Gera imagens tridimensionais
Ampliaes de at 109X
4.8 Vibraes atmicas
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Determinao do dimetro do gro (MTODO DOS INTERCEPTOS)
Onde:d: dimetro mdio do gro.
L: comprimento da linha.n: nmero de gros interceptados pela linha.A: ampliao linear da imagem.
Tamanho do gro (MTODO ASTM): define o NMERO DE TAMANHO DEGRO n como:
Onde: N: nmero de gros por POLEGADA QUADRADA em uma superfcie do
material, polida e contrastada, observada com uma ampliao de 100x. n: nmero designado NMERO ASTM DE TAMANHO DE GRO.
An
Ld
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42
N = 2n-1
4.10 Determinao do tamanho de gro
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N de tamanho de gro (n) Nmero de gros por mm2 com 1x
1 15,5
2 31,0
3 62,0
4 124
5 248
6 496
7 9928 1980
9 3970
10 7940
43
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4.10 Determinao do tamanho de gro
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TG ASTM 1: 15,5 gros/ mm2
d 0,287 mmTG ASTM 8: 1980 gros/ mm2
d 0,0127 mm
44
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4.10 Determinao do tamanho de gro
M i i C M i
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Importncia dos defeitos
Os defeitos dos materiais , tais como discordncias, defeitos pontuais e contornos degro, atuam como barreiras para discordncias, 03 mecanismos de endurecimentobaseia-se nas trs categorias de defeitos; Endurecimento por deformao (encruamento): Aumentando o n de
discordncias aumenta a tenso necessria para seu movimento, material fica maisresistente;
Endurecimento por soluo slida: tomos ou ons esto completamentesolubilizados pela estrutura cristalina da matriz, necessitando de tenses maiorespara movimento das discordncias;
Endurecimento por tamanho de gro: Aumentar o nmero de gros, reduz otamanho do gro, dificultando a movimentao das discordncias, aumentandoresistncia;
Efeitos nas propriedades eltricas, pticas e magnticas: Incorporao adequada dedopantes permite controlar de modo preciso as propriedades eltricas dossemicondutores.
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