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Aula 06 – Ciências dos Materiais
Estrutura Cristalinas dos Metais e Defeitos – Parte I*
Figuras e estruturas dos defeitos baseadas na aula Profa Eleani Maria da Costa- DEM/PUCRS disponibilizada em rede virtual pública.
Fator de Empacotamento para um metal de raio r
• Cúbico simples:
FEA = 4/3πr3 como a=2r FEA=0,52 1
a3
• Cúbico de Corpo Centrado:
FEA = 4/3πr3 como a=4r/√3 FEA=0,68 2
• Cúbico de Face Centrada:
FEA = 4/3πr3 como a=2r/√2 FEA=0,74 4
a3
a3
No de átomos por célula
Cálculo da densidade teórica de um sólido metálico
ρ = nPA
VCNA
Onde:
n= número de átomos por célula unitária
PA= peso atômico
VC= volume da célula unitária
NA = número de Avogrado (6,02x1023)
Exercícios
• Calcule o raio de um átomo de tântalo sabendo que o Ta possui uma estrutura cristalina CCC, uma massa específica (densidade) de 16,6g/cm3 e um peso atômico de 180,9 g/mol.
Exercícios
• O Nióbio possui um raio atômico de 0,143 nm e uma massa específica de 8,57g/cm3. Determine se ele possui uma estrutura cristalina CFC ou CCC. Peso atômico =92,9g/mol.
ρ = nPA
VCNA
Exercícios
• O raio atômico do Pb vale 0,175nm, calcule o volume de sua célula unitária em m3
sabendo que o Pb apresenta estrutura cristalina CFC.
Defeitos Cristalinos – o que é um defeito? Devem ser evitados?
• - Defeitos pontuais• - Defeitos de linha
(discordâncias)• - Defeitos de interface
(grão e maclas)• - Defeitos volumétricos
(inclusões, precipitados)
• É uma imperfeição no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal.
• Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos e no tipo de átomos
• O tipo e o número de defeitos dependem:
- da constituição química do material
- das circunstâncias sob as quais o
material é processado.
Tipos de Defeitos: classificados de acordo com sua geometria ou dimensões
• Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas
•• Defeitos lineares uma dimensão
• Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimensões
• Defeitos volumétricos três dimensões
Nem sempre é Maléfico
DEFEITOS
INTRODUÇÃOSELETIVA
CONTROLE DO NÚMERO
ARRANJO
Permite desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades
Casos Positivos
• O processo de dopagem em semicondutores:
mudança no tipo de condutividade
• A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições:
geram um aumento na resistência mecânica (processo encruamento):
• Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias):
resistência maior que 70GPaferro comum r 270MPa.
Defeitos Pontuais
• Vacâncias ou vazios
• Átomos IntersticiaisSchottkyFrenkel
Ocorrem em sólidos iônicos
Defeitos Pontuais: visão geral
Defeitos Pontuais: vacâncias ou lacunas
• Envolve a falta de um átomo.
• São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais).
Defeito Pontual: vacâncias ou vazios
• O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura
Nv= N exp (-Qv/KT) lacunas/m3
Nv= número de vacânciasN= número total de sítios por unidade de volumeQv= energia requerida para formação de vacânciasK= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou
8,62x10-5 eV/ at.K
N= NAρ PAOnde: NA=no avogrado;
ρ = densidade e PA= peso atômico
Cálculo de lacunas a uma dada T
• Calcule o no de lacunas em equilíbrio por m3 de Cu, a 1000oC. A energia para formação de uma lacuna é de 0,9 eV/atomo.
PA: 63,5 g/mol
ρ= 8,4 g/cm3 (T=1000oC)
NAVOG= 6,02x1023 atomos/mol
Defeito Intersticial
Átomo intersticial pequeno
Átomo intersticial grande
Gera maior distorção na rede
Defeito Intersticial• Envolve um átomo extra no
interstício (do próprio cristal)
• Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício
• A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância
Defeitos Pontuais
Defeitos Pontuais
FRENKEL
• Ocorre em sólidos iônicos
• Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício
SCHOTTKY
• Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas
• Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion
Superfície metálica: microscópia eletrônica de tunelamento ou microscopia de força atômica
Superfície (111) do ouro (estrutura CFC)
adição uma monocamada decobre
Em níveis de monocamadas nem sempre o elemento de liga provoca Aparecimento de de defeitos.
A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR
• Soluções sólidas [átomos] < limite de solubilidade
• Segunda fase [átomos] > limite de solubilidade
A solubilidade depende :• Temperatura• Tipo de impureza• Concentração da impureza
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
• 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.
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS• Um metal considerado puro sempre tem
impurezas (átomos estranhos) presentes
99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3
• A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais
Terminologia
• Elemento de liga soluto (< quantidade)
(ou impureza)
• Matriz solvente(>quantidade) (ou hospedeiro)
Especificação da Composição
• Composição de uma liga em termos de seus elementos constituintes:
porcentagem em peso (ou massa)(%p)
porcentagem atômica (no átomos) (%a)
Exercícios
• Uma liga contém 80% em peso de Al e 20% em peso de Mg. Qual a porcentagem atômica de cada um na liga?
• Suponha que 20% dos átomos de Cu são substituídos por Al em um bronze de alumínio. Quais porcentagens de peso que estão presentes?
PA: Mg- 24,3 g/mol; Al- 26,98 g/mol; Cu- 63,54g/molNv= 6,02x1023 atomos/mol