Disciplina: Cincia dos Materiais Docente: Cleyla Calheiros

UE 3 Parte I Imperfeies em Slidos

Defeitos Pontuais: Lacunas e Auto-intersticiais;

Impurezas em Slidos;

Imperfeies Diversas: Discordncia e Defeitos Interfaciais;

Defeitos Volumtricos;

Vibraes Atmicas.

Contedo UE 3:

Parte II

Difuso Atmica

As Propriedades influenciadas pela presena de imperfeies.

Importante o conhecimento das imperfeies e os papis que elas desempenham afetar o comportamento dos materiais.

Figura1: Silcio, a seta aponta para um tomo de Silcio que foi removido. Esse stio onde est faltando um tomo corresponde a um defeito do tipo lacuna. (ampliao de 20.000.000x)

Defeitos Pontuais: Lacuna e Auto-intersticial

LACUNA (Ou um stio vago na rede cristalina)

Todos os slidos cristalinos contm lacunas.

A necessidade da existncia de lacunas explicada pela termodinmica:

A presena de Lacunas aumenta a Entropia do Cristal (i.e., aleatoriedade).

Auto-intersticial

vazio

O nmero de lacunas em equilbrio Nl para uma dada quantidade de material depende:

Da Temperatura.

= Nexp Nmero total de stios atmicos

Energia necessria para formao de uma lacuna

Temperatura Absoluta (Kelvin - K)

Constante dos Gases (Constante de Boltzmann): 1,38*10-23 J/tomo-K 8,62*10-5eV/tomo-K

Dependente das unidade de Ql.

= Onde: NA Nmero de Avogadro = 6,023*1023 tomos /mol Massa especfica. A peso atmico do elemento

O nmero de lacunas em equilbrio Nl para uma dada quantidade de material depende:

Da Temperatura.

= Nexp

Para a maioria dos Metais:

A relao de lacunas Nl/N

Condies: Ocasionado por processo de cristalizao imperfeito durante a solidificao de um cristal. Temperatura abaixo da sua

temperatura de fuso da ordem de 10-4

Significa: Um stio em cada 10.000 stios da

rede estar vazio.

vazio

Exemplo 1- Clculo do nmero de lacunas a uma temperatura especfica.

Calcule o nmero de lacunas em equilbrio, por metro cbico de cobre, a 1.000C. A energia para a formao de uma lacuna de 0,9 eV/tomo; o peso atmico e a massa especfica (a 1.000C) para o cobre so de 63,5 g/mol e 8,4 g/cm, respectivamente.

Dados: Nl = ? (lacunas/m) T = 1000C Ql = 0,9 eV/tomo ACu = 63,5 g/mol = 8,4 g/cm

= Nexp = NA Nmero de Avogadro = 6,023*1023 tomos /mol

R: Nl = 2,2*1025 lacunas/m

AUTO-INTERSTICIAL

Consiste em um tomo do cristal que se encontra comprimido em um stio intersticial.

Nos Metais, um auto-intersticial introduz distores relativamente grandes na sua vizinhana na rede.

O tomo substancialmente maior que o espao em que ele ocupa.

A formao desses defeitos no muito

provvel e ele existe em concentraes muito reduzidas.

AUTO-INTERSTICIAL

Impurezas nos Slidos

Impurezas ou tomos diferentes estaro sempre presentes nos metais e alguns iro existir como defeitos pontuais no cristal.

A obteno de um metal puro requer maior refino elevando o custo de obteno do metal.

Os metais mais familiares no so altamente puros; em vez disso, eles so ligas, onde tomos de impurezas foram adicionados intencionalmente para conferir caractersticas especficas ao material.

Resistncia mecnica Resistncia a corroso Aumentar a condutividade eltrica

Exemplos: O Lato (70% Cobre / 30% Zinco) muito mais duro e resistente que o cobre puro.

A Prata pura resistente a corroso e muito macias; A Prata de lei (92,5% prata / 7,5% de cobre) mais dura sem perder a resistncia a corroso.

Prata Sterling

A adio de tomos de impurezas a um metal ir resultar na formao de uma SOLUO SLIDA (Liga metlica).

Em relao as ligas os termos SOLUTO e SOLVENTE so comumente empregados.

Solvente (Matriz) representa o elemento ou composto que est presente em maior quantidade (tambm chamado de tomos hospedeiros);

Soluto (Elemento de liga) usado para indicar um elemento ou composto que est presente em menor quantidade.

SOLUO SLIDA

Se forma quando, medida que os tomos de soluto so adicionados ao material hospedeiro , a estrutura cristalina mantida e nenhuma nova estrutura formada.

Soluo lquida (adio de acar ao caf)

Mistura homognea nica fase Soluto (acar) Solvente (caf)

Analogia

As solues slidas tambm so

homogneas: os tomos de impurezas esto distribudos de

forma aleatria e uniformemente no interior do slido.

SOLUO SLIDA

Defeitos pontuais de dois tipos:

SUBSTITUCIONAL INTERSTICIAL

Substitucional os tomos de soluto (ou tomos de impurezas) repem ou substituem tomos hospedeiros.

Intersticial os tomos de soluto preenchem os espaos vazios entre os tomos de solventes (hospedeiros).

Condies necessrias para a formao de uma soluo slida substitucional:

Fator do tamanho atmico: devem ser semelhantes com uma diferena de no mximo 15%;

Estrutura cristalina: devem ser as mesmas para que a solubilidade slida seja aprecivel;

Eletronegatividade: semelhantes (tomos prximos); Valncias: de preferencia um outro metal de maior valncia (caso todos os outros fatores sejam iguais).

EXEMPLO:

LIGA DE COBRE (Cu) E NQUEL (Ni)

Soluto Ni Solvente - Cu

Condies necessrias para a formao de uma soluo slida intersticial:

Dimetro atmico da impureza: deve ser substancialmente menor do que o tomo do hospedeiro;

Concentrao: mxima de tomos de impurezas intersticial abaixo de 10%;

EXEMPLO:

CARBONO (C) adicionado ao FERRO (Fe)

Soluto C Solvente - Fe

Propriedades C (Carbono) Fe (Ferro)

Raio atmico 0,124 nm 0,071 nm

Concentrao mxima de Carbono = 2%

Exemplo 2- Na tabela a seguir esto tabulados os raios atmicos, a estrutura cristalina, a eletronegatividade e a valncia mais comum para vrios elementos; para os ametais, apenas os raios atmicos esto indicados.

Com quais desses elementos seria esperada a formao do seguinte tipo de composto com o nquel:

a) Uma soluo slida com solubilidade completa?

b) Uma soluo slida intersticial?

a) Uma soluo slida com solubilidade completa?

b) Uma soluo slida intersticial?

Imperfeies Diversas: Discordncias e Defeitos interfaciais

DISCORDNCIAS Defeitos Lineares (ou unidimensional).

No qual alguns dos tomos esto desalinhados.

Vetor de Burgers

Linha da discordncia

aresta

Tipos de Discordncias:

Discordncia em linha ou discordncia aresta: Uma poro extra de um plano de tomos inserido numa estrutura de cristal.

Discordncia espiral ou discordncia em hlice: Consequncia da tenso cisalhante que desloca uma distncia atmica em relao outra poro do cristal.

Discordncia mista: exibe componentes de ambos os tipos citados acima.

Tipos de Discordncias: Discordncia em linha ou discordncia aresta

Vetor de Burgers

Linha da discordncia aresta

A aresta termina no interior do cristal!

Chamada algumas vezes de linha de discordncia

tomos Acima: pressionados.

tomos Abaixo: afastados.

Representao da posio da discordncia.

(Superior) (Inferior)

Tipos de Discordncias: Discordncia espiral ou discordncia em hlice

Vista de cima

Tipos de Discordncias: Discordncia espiral ou discordncia em hlice

Puramente aresta Puramente espiral

Mista

Tipos de Discordncias

A magnitude e a direo da distoro da rede cristalina so expressas em termos de um vetor - o vetor de Burgers b .

A natureza de uma discordncia (aresta, espiral ou mista) definida pelas orientaes relativas da linha de discordncia e do vetor de Burgers.

Aresta: O vetor de Burgers (b) perpendicular a linha de discordncia; Espiral: O vetor de Burgers (b) paralelo a linha de discordncia.

Tcnicas de microscopia. Liga de Titnio (linhas escuras

discordncias)

DEFEITOS INTERFACIAIS

So contornos que possuem duas dimenses e que normalmente separam regies dos materiais que possuem estruturas cristalinas diferentes.

Tipos:

Superfcies externas; Contornos de gros; Contornos de macla; Falhas de empilhamento; Contornos de fase.

DEFEITOS INTERFACIAIS: Superfcies externas

tomos da superfcie no esto ligados ao nmero mximo de vizinhos mais prximos e esto, portanto, num estado de maior energia do que os tomos nas posies do interior.

Superfcie

DEFEITOS INTERFACIAIS: Contorno de Gros

Separa cristais com diferentes orientaes cristalogrficas em materiais policristalinos. Existe uma certo desajuste atmico ao longo do qual existe uma transio a partir da orientao cristalina de um gro para aquela de um gro adjacente.

ngulo de desalinhamento

Contorno de gro de alto ngulo

Contorno de gro de

baixo ngulo

ngulo de desalinhamento

DEFEITOS INTERFACIAIS: Contorno de Gros

Material

policristalino

DEFEITOS INTERFACIAIS: Contorno de Gros

Contorno de gro de baixo ngulo desalinhamento da orientao pequeno;

Aresta contorno de inclinao; Espiral contorno de toro.

Contorno de gro de alto ngulo tomos ligados de maneira menos regular; estado de maior energia regio quimicamente mais reativa segregao preferencial dos tomos de impurezas.

DEFEITOS INTERFACIAIS: Contorno de Macla

Um contorno de macla um tipo especial de contorno de gro atravs do qual existe uma simetria espelhada especfica da rede cristalina;

As Maclas resultam de deslocamentos atmicos que so produzidos a partir de foras mecnicas de cisalhamento (maclas de deformao) e durante os tratamentos trmicos de recozimento aps deformaes (maclas de recozimento).

Metal Estrutura CCC e HC maclas de deformao; Metal Estrutura CFC maclas de recozimento.

DEFEITOS INTERFACIAIS: Contorno de Macla

Um contorno de macla um tipo especial de contorno de gro atravs do qual existe uma simetria espelhada especfica da rede cristalina;

Defeitos Volumtricos

Alm dos defeitos citados at o momento, h defeitos que so muito maiores:

OS POROS; AS TRINCAS; INCLUSES EXGENAS OUTRAS FASES.

Sero discutidas durante o decorrer

das aulas!

Vazios internos (Defeitos volumtricos) em lingote de ao.

Vibraes Atmicas

Todos os tomos presentes em um material slido esto vibrando muito rapidamente entorno de sua posio na rede dentro do cristal;

Muitas propriedades e processos nos slidos so manifestaes desse movimento de vibrao dos tomos.

Por exemplo: a FUSO ocorre quando as vibraes so suficientemente vigorosas para romper grande nmero de ligaes atmicas.

Disciplina:

Cincia dos Materiais

Cleyla Calheiros