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UNIVERSIDADE ANHANGUERA – UNIDERPCURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

Prof.: MATHEUS PIAZZALUNGA NEIVOCKE-mail: [email protected]

[email protected]

IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS

As propriedades dos materiais são profundamente influenciadas pela presença deimperfeições.

Por esta razão é necessário ter oconhecimento sobre os tipos de imperfeiçõesque existem e sobre quais as consequênciasque elas causam nos materiais.

CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Prof.: Matheus P. Neivock


Por exemplo, a prata de lei (92,5% deprata e 7,5% de cobre) é muito mais resistenteque a prata pura.

Já o silício utilizado em nossos chip´s decomputador, quanto maior sua pureza menorquantidade de ruídos e interferências sãogerados durante o processamento de dados.



Vimos até o momento, que em escalaatômica, muitos materiais apresentam umcerto grau de organização.

Infelizmente não são todos os materiaisque apresentam essa organização e muitomenos uma organização total de suaestrutura. Por essa razão o materialperfeito, sem defeitospraticamente não existe.



Cabe a nós engenheiros e entusiastasdas ciências e tecnologia dos materiaisaprender a conviver e controlar estes defeitose imperfeições.

Mas antes de listar estes defeitos surge apergunta:



Cabe a nós engenheiros e entusiastasdas ciências e tecnologia dos materiaisaprender a conviver e controlar estes defeitose imperfeições.

Mas antes de listar estes defeitos surge apergunta:

“O que é um defeito cristalino?”




É uma imperfeição ou um "erro" no arranjoperiódico regular dos átomos em um cristal.

Pode envolver uma irregularidade• na posição dos átomos• no tipo de átomos

O tipo e o número de defeitos dependem domaterial, do meio ambiente e das circunstânciassob as quais o material foi processado.



• Apenas uma pequena fração dos sítios(ou posições) atômicos são imperfeitas;

Menos de 1 em 1 milhão• Mesmo sendo poucos eles influenciam

muito nas propriedades dos materiais enem sempre de forma negativa.



DEFEITOS

INTRODUÇÃOSELETIVA

CONTROLEDO NÚMERO ARRANJO

NOVOS MATERIAISOU

MATERIAIS COM PROPRIEDADES DESEJADAS


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSExemplo do efeito das imperfeições:

o O processo de dopagem em semicondutores visa criarimperfeições para mudar o tipo de condutividade emdeterminadas regiões do material;

o A deformação mecânica dos materiais promove aformação de imperfeições que gera um aumento naresistência (processo conhecido como encruamento);

o Wiskers de ferro (monocristais sem imperfeições do tipodiscordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa,enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente270MPa.


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSClassificação:

•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.

•Defeitos lineares: uma dimensãoDISCORDÂNCIAS

•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES,CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO

•Defeitos volumétricos: três dimensõesPOROS, TRINCAS E INCLUSÕES
























•Defeitos volumétricos: três dimensõesPOROS, TRINCAS, FASES E INCLUSÕES


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSLACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:



CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSLACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:• Átomo intersticial: é um átomo que ocupa um interstício da

estrutura cristalina;• Os defeitos de átomos intersticiais causam uma grande

distorção do reticulado cristalino a sua volta.

LACUNA

ÁTOMOINTERSTICIAL

Prof.: Matheus P. Neivock







• Influenciam principalmente nas propriedadesóticas e elétricas dos materiais;

• Influem em processos como difusão,transformação de fases, fluência, etc…

• Átomos de soluto geram defeitos pontuais.





SÓLIDOSIÔNICOS








IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS:

• As discordâncias estão associadas com acristalização e a deformação (origem: térmica,mecânica e supersaturação de defeitospontuais);

• A presença deste defeito é a responsável peladeformação, falha e ruptura dos materiais.



• Podem ser:- Cunha- Hélice- Mista



VETOR DE BURGERS (b)

• Dá a magnitude e a direção de distorção darede

• Corresponde à distância de deslocamento dosátomos ao redor da discordância



VETOR DE BURGERS (b)

• Dá a magnitude e a direção de distorçãoda rede;

• Corresponde à distância de deslocamentodos átomos ao redor da discordância.


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:



• Envolve um semi-plano extra deátomos;

• O vetor de Burger éperpendicular àdireção da linha dadiscordância.

• Envolve zonas detração e compressão;

Font

e: P

rof.

Sidn

ei, D

CM

M, P

UC

RJ








IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – EM HÉLICE:

• Produz distorção narede;

• O vetor de burger éparalelo à direçãoda linha dediscordância.







DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DEUM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS

SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENTOS SUPERFICIAIS.(Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS E ENERGIA:

• A energia associada a uma discordânciadepende do vetor de Burger (varia com oquadrado do vetor de Burger);

• Discordância com alto vetor de Burger tende ase dissociar em duas ou mais discordâncias demenor vetor de Burger (como o vetor é menorque o vetor da rede é chamado de falha deempilhamento-stacking fault);


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – MISTAS:


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS - Visualizando:

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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – Considerações Gerais:

• A quantidade e o movimento das discordânciaspodem ser controlados pelo grau de deformação(conformação mecânica) e/ou por tratamentostérmicos;

• Com o aumento da temperatura há um aumentona velocidade de deslocamento das discordânciasfavorecendo o aniquilamento mútuo das mesmase formação de discordâncias únicas;

• Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-seem torno das discordâncias formando umaatmosfera de impurezas.

CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – Considerações Gerais:

• A densidade das discordâncias depende daorientação cristalográfica, pois o cisalhamento se

dá mais facilmente nos planos de maiordensidade atômica;

• As discordâncias geram vacâncias (vazios);• As discordâncias influem nos processos dedifusão;

• A formação de discordâncias contribuem para adeformação plástica;








IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDEPEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS:

• Interface: contorno entre duas fases diferentes;• Contornos de Grão: contornos entre dois cristais sólidos

da mesma fase;• Superfície Livre ou 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, porexemplo na seqüência ABCABCABC.... dos planoscompactos dos cristais CFC ou HC.


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSCONTORNOS DE GRÃO:

MATERIAIS POLICRISTALINOS




Corresponde à região quesepara dois ou mais cristaisde orientação diferente.

UM CRISTAL = UM GRÃO

No interior de cada grão todosos átomos estão arranjadossegundo um único modelo eúnica orientação, caracterizadapela célula unitária



Monocristal: Material com apenas umaorientação cristalina, ou seja, que contémapenas um grão;

Policristal: Material com mais de uma orientaçãocristalina, ou seja, que contém vários grãos.




IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSCONTORNOS DE GRÃO – CONSIDERAÇÕES:

• 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 dasdiscordâncias.


DISCORDÂNCIA

O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui umobstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHODE GRÃO .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL


A passagem de umadiscordância através docontorno de grão requer

energia.


DISCORDÂNCIA



energia.

?O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui umobstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHODE GRÃO .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL


DISCORDÂNCIA



energia.

AUMENTAO contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui umobstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHODE GRÃO .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSMACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS (TWINS):

• É um tipo especial decontorno de grão;

• Os átomos de um lado docontorno são imagensespeculares dos átomosdo outro lado do contorno

• A macla ocorre numplano definido e numadireçãodependendo

específica,da

estrutura cristalina





O seu aparecimentoestá geralmenteassociado com APRESENÇA DE:- Tensões térmicas;- Tensões mecânicas;- Impurezas.


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSFALHAS DE EMPILHAMENTO:








IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSIMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS:

- Inclusões: Impurezas estranhas;

de partículas cuja- Precipitados: são aglomeradoscomposição difere da matriz;

- Fases: forma-se devido à presença de impurezas ouelementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade éultrapassado);

origina-se devido a presença ou formação- Porosidade:de gases.


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSINCLUSÕES:

INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%)LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C.


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSINCLUSÕES:

SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO.


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSPOROS:

COMPACTADO DE PÓ DEFERRO,COMPACTAÇÃOUNIAXIAL EM MATRIZ DEDUPLO EFEITO, A 550 MPa

COMPACTADO DE PÓ DE FERROAPÓS SINTERIZAÇÃO

A 1150oC, POR 120min EMATMOSFERA DE HIDROGÊNIO


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSFASES:

A MICROESTRUTURAÉ COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZPERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DEDUAS FASES: FERRITA(OU FERRO-α) E CEMENTITA(OU CARBONETO DE FERRO).



Microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mgmostrando diversas fases precipitadas



Micrografia da LigaAl-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSTRINCAS:


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSTRINCAS:


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSMICROESTRUTURA


IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSMICROESTRUTURA


EXERCÍCIOS

Exercícios:

1- Existem materiais perfeitos? Explique.2- O que é considerado um defeito cristalino?3- A presença de impurezas ou a adição de elementos de liga diminui onúmero de lacunas em um material metálico? Justifique sua resposta.4- Como os defeitos cristalinos podem ser classificados, cite exemplo dosdefeitos.5- Por que os defeitos são importantes na determinação de algumaspropriedades físicas e mecânicas? Cite alguns exemplos.6- Qual a influência das discordâncias nas propriedades mecânicas dosmateriais?7- Como o tamanho de grão interfere nas propriedades mecânicas dosmateriais? Explique sua resposta.8- Como é possível o estudo das diferentes microestruturas dos materiais?Explique como as imagens são obtidas.


EXERCÍCIOS

Material relacionados:– Capítulo 4 : completo + exercícios;– Capítulo 7 : Maclas, item 7.7 + exercícios.– Capítulo 13: Defeitos em sólidos iônicos, item 13.5 + exercício.

Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução.Autor: William D. Callister Jr.

Estão disponíveis no nosso grupo do googleapps: CTM

Referências

1- Aulas profa. Eleani Maria da Costa – PUCRS;2- Introdução à Ciência dos Materiais para

Engenharia, alulas Prof. Dr. Antônio Carlos VieiraCoelho, Escola Politécnica da USP;3- Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia. Ed.Hemus. São Paulo. 1997;4- Van Vlack, L. H., Princípios de Ciência dosMateriais. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1970;

5- Callister, Jr, W. D., Ciência e Engenharia deMateriais: Uma introdução, Ed. LTC, 5ed., Rio deJaneiro, RJ, 2002.


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