6 – Imperfeições nos Sólidos

Prof. Carlos Angelo Nunes

Disciplina : Ciência dos MateriaisLOM 3013 – 2015M1

• As propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições.

• Não existe ordenação perfeita em um material cristalino, há uma variedade e grande número de imperfeições (defeitos). A influência não é sempre adversa.

• Por defeito cristalino designamos uma irregularidade na rede cristalina. A classificação de imperfeições cristalinas é feita com frequência de acordo com a geometria ou com a dimensionalidade do defeito: defeitos pontuais; defeitos lineares; defeitos bidimensionais.

Defeitos pontuais – Lacunas e autointersticiais

Lacuna: sítio vago na rede cristalina. Todos os sólidos cristalinos contém lacunas. A presença das lacunas aumenta a entropia (isto é, a aleatoriedade) do cristal.

Lacunadistorção de planos

Nl- número de lacunas;N- número total de sítios atômicosQl- energia para formação de lacuna;T- temperatura absoluta em K.k- constante de Boltzman = 1,38.10-23 J/átomo.K ou 8,62.10-5 eV/átomo.K

Para a maioria dos metais, a fração de lacunas Nl/N em uma temperatura imediatamente inferior à sua temperatura de fusão é da ordem de 10-4.

)exp(kTQNN l

l

Número de lacunas em equilíbrio para uma dada quantidade de material:

Algumas consequência importante do aumento do número de lacunas com o aumento da temperatura?

Um autointersticial é um átomo do cristal que se encontra comprimido em um sítio intersticial. Isto introduz distorções relativamente grandes na rede cristalina. Este defeito existe somente em concentrações muito reduzidas.

auto-instersticialdistorção

de planos

• A adição de átomos de impurezas resultará na formação de uma solução sólida e/ou de uma nova fase.

Defeitos pontuais – Impurezas nos sólidos

• Um metal puro formado apenas por um tipo de átomo é simplesmente impossível. Átomos de impureza existirão como defeitos pontuais nos cristais.

• No caso das ligas, átomos de impurezas são intencionalmente adicionados para conferir características específicas (aumento de resistência mecânica; aumento de resistência à corrosão).

• Uma solução sólida é homogênea em termos da sua composição; os átomos de impurezas estão distribuídos aleatoriamente e uniformemente no sólido.

Solvente- na solução representa o elemento que está presente em maior quantidade;Soluto- na solução representa o elemento que está presente em menor quantidade.

• Defeitos pontuais devido à presença de impurezas podem ser de dois tipos: substitucional; intersticial.

• A solubilidade máxima dos átomos do soluto na rede do solvente depende de:

Fator tamanho atômico; Estrutura cristalina Eletronegatividade Valência

•  Nos defeitos substitucionais , os átomos de soluto repõem ou substituem os átomos do solvente.

Ex. substitucional: Cu-Ni, completamente solúveis um no outroRCu = 0,128nmRNi = 0,125nmAmbos CFCEletronegatividades 1,9 e 1,8Valências: Cu (mais comum +1, às vezes +2); Ni (+2)

Liga Ni-CuMonofásica

• Nas soluções sólidas intersticiais os átomos de impurezas preenchem os interstícios entre os átomos do solvente.

• Mesmo os átomos de impureza muito pequenos são normalmente maiores que os sítios intersticiais e, em consequência , eles introduzem algumas deformações na rede dos átomos do solvente.

• Normalmente a concentração máxima permissível de átomos de impurezas artificial é baixa (inferior a 10%).

É possível solubilidade completa entre dois elementos que formam uma solução sólida intersticial ?

Ex. intersticial: Fe-C: ferrita, solução sólida de C no ferro CCC.

RFe = 0,124nmRC = 0,071nmSolubilidade máxima de carbono no ferro CCC é de 0,02%peso a 723oC e 0,005%peso a 0oC.

Liga Fe-CBifásica (Perlita=Ferrita+Cementita)

Posições intersticiais na estrutura CCC

Posições intersticiais na estrutura CFC

Posições intersticiais na estrutura HCP

Liga binária: C1 – porcentagem em peso do elemento 1;m1 – massa do elemento 1;m2 – massa do elemento 2.

Duas maneiras mais comuns: porcentagem em peso (ou massa) ou porcentagem atômica.

Defeitos pontuais – especificação da composição de uma liga

10021

11 x

mmmC

10021 CC

A base para o cálculo da porcentagem atômica é o número de mols de um elemento em relação ao número total de mols de todos os elementos na liga.

1

1'

1 Amnm 100

21

11' x

nnnC

mm

m

m’1 – massa do elemento 1 (em gramas);A1 – peso atômico do elemento 1;C’1 – porcentagem atômica do elemento 1;nm1 – número de mols do elemento 1;nm1 – número de mols do elemento 2.

1002'

1' CC

C1 – porcentagem em peso do elemento 1;C2 – porcentagem em peso do elemento 2;C’1 – porcentagem atômica do elemento 1;C’2 – porcentagem atômica do elemento 2;A1 – peso atômico do elemento 1;A2 – peso atômico do elemento 2;

Conversões entre composições (liga binária):

1001221

211' x

ACACACC

1001221

122

' xACAC

ACC

10022

'11

'22

'

2 xACAC

ACC

10022

'11

'11

'

1 xACAC

ACC

3

2

2

1

1

11'' 10)( xCC

CC

3

2

2

1

1

22

'' 10)( xCCCC

C’’1 – massa do componente 1 por unidade de volume (kg/m3);C’’2 – massa do componente 2 por unidade de volume (kg/m3);C1 – porcentagem em peso do elemento 1;C2 – porcentagem em peso do elemento 2;1– massa específica do componente 1 (g/cm3);2– massa específica do componente 2 (g/cm3).

Conversão da concentração em porcentagem em peso para massa de um componente por unidade de volume do material:

2

2

1

1

100

CxCméd

2

22'

1

11'

22'

11'

ACxACACAC

méd

2

2

1

1

100

ACx

ACAméd

10022

'11

' ACACAméd

Determinação da massa específica e o peso atômico de uma liga binária a partir da composição (%peso; %atômica)

OBS. As variáveis são as mesmas definidas anteriormente.

Defeitos lineares – discordâncias

• Discordância aresta (cunha): uma porção extra de u plano de átomos, ou semipleno, cuja aresta termina no interior do cristal. A região ao longo da aresta corresponde à linha de discordância.

• Defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns átomos estão desalinhados.

• Na região em torno da linha de discordância existe alguma distorção localizada da rede cristalina.

Movimento de uma discordância aresta:

A magnitude e a direção da distorção da rede associada a uma discordância são expressas em termos de um vetor de Burgers (b).  Aresta: vetor de Burgers perpendicular à linha;Espiral: vetor de Burgers paralelo à linha;Mista: vetor de Burgers não é nem perpendicular nem paralelo à linha.

Para os materiais metálicos, o vetor de Burgers para uma discordância apontará para uma direção cristalográfica compacta e terá uma magnitude igual à do espaçamento atômico.

A distorção atômica associada a uma discordância em espiral também é linear. A discordância espiral tem seu nome derivado da trajetória ou inclinação em espiral ou helicoidal que é traçada ao redor da linha de discordância pelos planos atômicos de átomos.

Movimento de uma discordância espiral:

Discordâncias mistas: exibe componentes de discordância aresta e discordância espiral.

FIGURE:Dislocation structures of 92% cold rolled commercial purity aluminium alloy (AA1235 :0.67 Fe, 0.16Si, 0.01 Ti and rest Al).

Figure:TEM micrographs (BF) of 92% cold rolled alloy AA1235 after annealing at 480ºC for 8 h showing (a) pinning of dislocations by a particle, and (b) presence of dislocations even after completion of recrystallization.

(c) 2003 Brooks/C

ole Publishing / Thomson Learning

Figure 4.17 The effect of grain size on the yield strength of steel at room temperature.

EBSD maps concerning microstructures of Cu-Mg alloy after Conform (a) sample at the cavity entrance (b) sample at the cavity export.

These results, from polycrystalline alpha-phase titanium, show the grain microstructure grain boundary misorientation angle distribution. Color-coding shows the spatial location of selected misorientation ranges.

High Resolution Transmission Electron Microscope (HRTEM) Image of a Grain Boundary Film in Strontium-Titinate

MW -Plate 404 This relatively low magnification micrograph shows the subgrain structure of beaten aluminium foil.  Subgrain boundary walls are visible.  These are made up of dislocation arrays.  The subgrains are about 1μm in size.  Inside the subgrains there are many extinction contours.  These arise from dynamical electron diffraction effects due to buckling and thickness variations in the foil.

Twinned pyrite crystal group

Twinned quartz

(c) 2003 Brooks/C

ole Publishing / Thomson Learning

Figure 4.20 Application of a stress to the perfect crystal (a) may cause a displacement of the atoms, (b) causing the formation of a twin. Note that the crystal has deformed as a result of twinning.

Annealing twins in brass (DoITPoMS micrograph library) Optical microscope

Fig. 3: Fig. 3 EBSD orientation map (a) and Schmid factors (b) of Ti-20V alloy.

Nanodiamond texturesB) multiple linear twins. ()

For historical reasons, we call the stacking fault produced by vacancy agglomeration "intrinsic stacking fault" and the stacking fault produced by interstitial agglomeration "extrinsic stacking fault".

If we do not condense vacancies on a plane, but fill in a disc of agglomerated interstitials, we obtain the following structure

Figure 9. The crystal defects exist in the ZnS nanocrystals (a) stacking fault in a nanobelt 

Porosidade na solda

Falta de preenchimentona solda.

One can see from visual inspection of the plate defects in the spokes of the casting, shown by dark areas.The Rim and center Boss which are thick show up white having absorbed all the radiation, whereas the spokes being thinner have absorbed less and show up gray. The defects probably gas pockets in the castings have absorbed less so show up as dark blobs. There may be defects in the thick areas but other techniques will have to be used to identify these.

Figure 8. Schematic representation of the deformation microstructure and grain subdivision at different strains (large/small) and corresponding STEM-micrographs of the investigated aluminum alloy [23].