Aula 01 e 02 - Estrutura Cristalina e Imperfeicoes.pdf

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Classificação das Imperfeições


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Classificação das ImperfeiçõesPontuais

• Vacâncias, Lacunas• Impurezas intersticiais e substitucionais

Em linhas• Discordâncias

Planares ou de Superfície• Interface• Fronteira entre grãos ou fases

Volumétricos• Inclusões• Precipitados• Porosidade


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Defeitos Pontuais


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Defeitos pontuais: (a) lacuna, (b) átomo intersticial, (c) átomo substitucional pequeno, (d) átomo substitucional grande, (e) defeito de Frenkel, (f) defeito de Schottky. Todos estes defeitos perturbam o“perfeito”arranjo atômico dos átomos vizinhos.

Defeitos Pontuais


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Concentração de Vacâncias


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Concentração de Vacâncias

• Para formar defeitos é necessário dispor de energia• O número de vacâncias aumenta exponencialmente com atemperatura

Nv = número de lacunas/vacâncias por cm 3N = número de átomos por cm 3Qv = energia para se produzir um mol de vacâncias (cal/mol ou J/mol)R = constante do gás ou Baoltzmann = 1,987 cal/mol.K; 8,31J/mol.K;

1,38x10-23 J/atm.K ou 8,62x10-5 eV/átomo.KT = temperatura em K.

N v = N−


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N v = N−


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Kassim S. Al-Rubaie, Ph.D.

Impurezas


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Nas Ligas os átomos de impurezas são adicionadas com

intuito de conferir características específicas aos materiaiscomo, por exemplo, para aumentar :a resistência mecânicaa resistência à corrosãoa condutividade elétrica

p

Impurezas Intersticiais


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- Aços baixo cabono

- Bandas de Luders

- Presença de C e Nem solução sólida

Impurezas Substitucionais


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Impurezas Substitucionais

Para ocorrer os elementos devemrespeitar ao máximo as regras deHome-Rothery

Regra de Home Rothery


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Regra de Home-Rothery• Raio atômico → deve ter diferença de raio

atômico de no máximo 15%, caso contráriopode promover distorções na rede e assim

formação de nova fase• Estrutura cristalina → deve ser a mesma,

caso contrário, surge uma nova fase, pois olimite de solubilidade é pequeno• Eletronegatividade → próximas, diferente eletronegatividade

tende a é formar novos compostos• Valência → mesma ou maior que a do hospedeiro, a diferença

nos elétrons de valência incentiva a formação de compostos emvez de solução


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Solução Sólida


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ç

Principais elementos de liga do aço, as concentraçõessão dadas em %

Solução Sólida – Posições intersticiais


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ç ç

Rede: CFC

Posição: Octaédrica Posição: Tetraédrica

Solução Sólida – Posições intersticiais


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ç ç

Rede: CCC

Posição: Octaédrica Posição: Tetraédrica


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Discordância em cunha ou aresta


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(a) o cristal é cortado e um meio plano atômico extra é inserido (b) . Aextremidade da parte inferior do plano extra é uma discordância em cunha (c) .O vetor de Burgers b é necessário para fechar um circuito de igual espaçamento atômico ao redor da discordância .

Zona de compressão

Zona de tração

Discordância em hélice ou espiral


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O cristal perfeito (a) é cortado ecisalhado em um espaçamentointeratômico, (b) e (c) . A linha aolongo da qual ocorre o cisalhamento éuma discordância em hélice . Umvetor de Burgers b é requerido para

fechar o circuito de igual espaçamento interatômico ao redor da discordância.

Discordância mista


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Vetor de Burger (B)


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Corresponde à distância de deslocamento dos átomos aoredor da discordância

Discordância vista em MET (microscópio


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Eletrônico de Transmissão)

Liga de Ti – 51.500x


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Defeitos Planares: Contorno de Grão


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• Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente

• Há uma energia livre maiselevada

• Favorece a nucleação denovas fases (segregação)

• Favorece a difusão



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o São possíveis vários graus de desalinhamento

cristalográfico entre grãos adjacenteso Contorno de Pequeno Ângulo: Ocorre quando a

desorientação dos cristais é pequena

Alto ângulo

Baixo ângulo



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O tamanho de grão é controlado• Composição química• Taxa (velocidade) de resfriamento na fusão


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Ex 15.1: Uma liga de cobre e zinco tem as seguintes


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propriedades. Determine:Diâmetro do grão

(mm)Limite de

Escoamento (MPa)0,015 1700,025 1580,035 1510,050 145

a) As constantes de Hall-Petchb) O tamanho de grão

necessário para obterum limite de

escoamento de 200MPa


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Defeitos Planares: Contorno de macla (Twin)


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• A macla ocorre num plano definido e numa direção específica,dependendo da estrutura cristalina

• É um tipo especial de contorno de grão com simetria

específica em espelho da rede cristalina.

Defeitos Planares: Contorno de macla (Twin)


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O seu aparecimento está geralmenteassociado com a presença de:- Deformações mecânicas- Tratamentos térmicos

- Impurezas

Contornos de macla emlatão 70/30 (MO-250X)


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Defeitos Planares: Interfaces (fronteirasentre fases)


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entre fases)

Exemplos de interfaces:(a) um precipitado não-coerente não possui relação com a estrutura

cristalina da matriz metálica;(b) um precipitado coerente se forma de modo a preservar a integridadeda rede cristalina. Existe relação entre a estrutura do precipitado eda matriz metálica.

Imperfeições volumétricas


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- Inclusões → Impurezas estranha- Precipitados → são aglomerados de partículas cuja

composição difere da matriz- Porosidade → origina-se devido a presença ou

formação de gases ou não compactação do material- Fases → devido à presença de impurezas

(ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado)

• São introduzidas no processamento do material e/ouna fabricação do componente

Inclusões


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inclusões de óxido de cobre (cu 2o) emcobre de alta pureza (99,26%)

laminado a frio e recozido a 800°c .

inclusões de Alumínio em aço baixo

carbono desoxidado ao alumínio

inclusões de escória em ferro cinzento

Precipitados


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Precipitados de ZrO 2 em amostra de alumina

Precipitados de Cementita(Fe 3 C) em aço ligado

ZrO2

Porosidade


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Compactado de pó de ferroapós sinterização

A 1150°c, por 120min ematmosfera de H2

Porosidade em

amostra polimérica

Fase


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Difusão - Introdução


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Assim como a corrente elétrica está associada ao

transporte de cargas elétricas através de um fio condutor quando está sujeito a uma diferença de potencial elétrico,

a DIFUSÃOestá associada ao transporte de massa que

ocorre em um sistema quando nele existe diferença depotencial termodinâmico que pode ser proporcional à

diferença de concentração química, quando o sistema está

em equilíbrio.

Tipos de Difusão


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Autodifusão → ocorre em cristais puros. Nesse casonão há variação na concentração

Tipos de Difusão


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Interdifusão → (é o mais comum) ocorre quando átomos deum metal difunde em outro. Nesse caso há variação naconcentração

Espaço

LivreEnergia

Tempo

Mecanismos de Difusão – Por Lacunas


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Observada em impurezas substitucionais;

Átomos trocam de posição com as lacunas;

A taxa de difusão depende do número de vazios e daenergia de ativação para troca de posição;

O número delacunas aumentacom a temperatura;

Mecanismos de Difusão - Intersticial


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Os átomos intersticiais migram para posições intersticiais

adjacentes não ocupadas do reticulado.

Observadas em impurezascomo H, C, N, O

Ocorre mais rapidamenteque a difusão de lacuna;

A probabilidade demovimento intersticial é

maior que a difusão devacâncias .C é 109 x mais rápido queautodifusão de Fe

Caminhos para difusão


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• A movimentação de átomos pode ocorrer:

1) No volume do material: emvacâncias ou interstícios2) Ao longo de defeitos lineares: discordâncias3) Ao longo de defeitos bidimensionais:contornos de grão ,superfícies externas .

• A movimentação de átomos pelos defeitos cristalinos émuito mais rápida que pelo volume.

Aplicação de difusão - SinterizaçãoT t t lt t t it iã d


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Tratamento em altas temperaturas que permite a união departículas sólidasReduz gradualmente o volume de poros entre elas.Fabricação de peças metálicas e cerâmicasMetalurgia do pó

Aplicação de difusão – Crescimento deGrão


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GrãoObtêm-se uma menor energia global do material caso a

quantidade dos contornos de grãos seja reduzida pelocrescimento de grãos.

Os grãos maiores cresçem à custas do menores.

Aplicação de difusão –Transformação de fases


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As transformações de fases nos materiais dependemdos processos difusionais.

ç

Precipitação de fasenos contornos de grão

Ferro Fundido nodularMatriz Ferrítica

Lembretes


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