Aula 4 -CTM (teórica)

UNIVERSIDADE ANHANGUERA – UNIDERP CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

Prof.: MATHEUS PIAZZALUNGA NEIVOCK

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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS

As propriedades dos materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições. Por esta razão é necessário ter o conhecimento sobre os tipos de imperfeições que existem e sobre quais as consequências que elas causam nos materiais.

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


Por exemplo, a prata de lei (92,5% de prata e 7,5% de cobre) é muito mais resistente que a prata pura. Já o silício utilizado em nossos chip´s de computador, quanto maior sua pureza menor quantidade de ruídos e interferências são gerados durante o processamento de dados.



Vimos até o momento, que em escala atômica, muitos materiais apresentam um certo grau de organização. Infelizmente não são todos os materiais que apresentam essa organização e muito menos uma organização total de sua estrutura. Por essa razão o material perfeito, sem defeitos praticamente não existe.



Cabe a nós engenheiros e entusiastas das ciências e tecnologia dos materiais aprender a conviver e controlar estes defeitos e imperfeições. Mas antes de listar estes defeitos surge a pergunta:



Cabe a nós engenheiros e entusiastas das ciências e tecnologia dos materiais aprender a conviver e controlar estes defeitos e imperfeições. Mas antes de listar estes defeitos surge a pergunta: “O que é um defeito cristalino?”




É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico 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 do material, do meio ambiente e das circunstâncias sob 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 e

nem sempre de forma negativa.



DEFEITOS

INTRODUÇÃO SELETIVA

CONTROLE DO NÚMERO

ARRANJO

NOVOS MATERIAIS

OU MATERIAIS COM PROPRIEDADES DESEJADAS



Exemplo do efeito das imperfeições:

o O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material;

o A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que gera um aumento na resistência (processo conhecido como encruamento);

o Wiskers de ferro (monocristais sem imperfeições do tipo

discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente

270MPa.



Classificação:

•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;

LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.

•Defeitos lineares: uma dimensão

DISCORDÂNCIAS

•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;

CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES, CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO

•Defeitos volumétricos: três dimensões

POROS, TRINCAS E INCLUSÕES



Classificação:




DISCORDÂNCIAS







Classificação:




DISCORDÂNCIAS







Classificação:




DISCORDÂNCIAS







Classificação:




DISCORDÂNCIAS




POROS, TRINCAS, FASES E INCLUSÕES



LACUNAS 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

ÁTOMO

INTERSTICIAL










• Influenciam principalmente nas propriedades

óticas e elétricas dos materiais;

• Influem em processos como difusão,

transformação de fases, fluência, etc…

• Átomos de soluto geram defeitos pontuais.







SÓLIDOS

IÔNICOS



Classificação:




DISCORDÂNCIAS







DISCORDÂNCIAS:

• As discordâncias estão associadas com a

cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais);

• A presença deste defeito é a responsável pela

deformação, falha e ruptura dos materiais.



DISCORDÂNCIAS:

• Podem ser:

- Cunha

- Hélice

- Mista



DISCORDÂNCIAS:

VETOR DE BURGERS (b)

• Dá a magnitude e a direção de distorção da rede

• Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância



DISCORDÂNCIAS:

VETOR DE BURGERS (b)

• Dá a magnitude e a direção de distorção

da rede;

• Corresponde à distância de deslocamento

dos átomos ao redor da discordância.



DISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:




• Envolve um semi-plano extra de átomos;

• O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância.

• Envolve zonas de tração e compressão;




Fonte

: P

rof.

Sid

nei

, D

CM

M, P

UC

RJ









DISCORDÂNCIAS – EM HÉLICE:

• Produz distorção na rede;

• O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância.










DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE

UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS

SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENTOS SUPERFICIAIS.

(Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).



DISCORDÂNCIAS E ENERGIA:

• A energia associada a uma discordância

depende do vetor de Burger (varia com o

quadrado do vetor de Burger);

• Discordância com alto vetor de Burger tende a

se dissociar em duas ou mais discordâncias de

menor vetor de Burger (como o vetor é menor

que o vetor da rede é chamado de falha de

empilhamento-stacking fault);



DISCORDÂNCIAS – MISTAS:



DISCORDÂNCIAS - Visualizando:



DISCORDÂNCIAS – Considerações Gerais:

• A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos;

• Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas;

• Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas.



DISCORDÂNCIAS – Considerações Gerais:

• A densidade das discordâncias depende da orientação cristalográfica, pois o cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica;

• As discordâncias geram vacâncias (vazios);

• As discordâncias influem nos processos de difusão;

• A formação de discordâncias contribuem para a deformação plástica;



Classificação:




DISCORDÂNCIAS







DEPEITOS 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, por

exemplo na seqüência ABCABCABC.... dos planos

compactos dos cristais CFC ou HC.



CONTORNOS DE GRÃO:

MATERIAIS POLICRISTALINOS




CONTORNOS DE GRÃO:

Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente.

UM CRISTAL = UM GRÃO

No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação, caracterizada pela célula unitária



CONTORNOS DE GRÃO:

Monocristal: Material com apenas uma

orientação cristalina, ou seja, que contém

apenas um grão;

Policristal: Material com mais de uma orientação

cristalina, ou seja, que contém vários grãos.



CONTORNOS DE GRÃO:



CONTORNOS 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 das discordâncias.



CONTORNOS DE GRÃO:

DISCORDÂNCIA

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

A passagem de uma

discordância através do

contorno de grão requer

energia.



CONTORNOS DE GRÃO:

DISCORDÂNCIA


A passagem de uma



energia.

?



CONTORNOS DE GRÃO:

DISCORDÂNCIA


A passagem de uma



energia.

AUMENTA



MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS (TWINS):

• É um tipo especial de contorno de grão;

• Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno

• A macla ocorre num plano definido e numa

direção específica, dependendo da estrutura cristalina







O seu aparecimento está geralmente associado com A PRESENÇA DE:

- Tensões térmicas;

- Tensões mecânicas;

- Impurezas.



FALHAS DE EMPILHAMENTO:



Classificação:




DISCORDÂNCIAS







IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS:

- Inclusões : Impurezas estranhas;

- Precipitados: são aglomerados de partículas cuja

composição difere da matriz;

- Fases: forma-se devido à presença de impurezas ou

elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado);

- Porosidade: origina-se devido a presença ou formação

de gases.



INCLUSÕES:

INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%)

LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C.



INCLUSÕES:

SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO.



POROS:

COMPACTADO DE PÓ DE

FERRO,COMPACTAÇÃO

UNIAXIAL EM MATRIZ DE

DUPLO EFEITO, A 550 MPa

COMPACTADO DE PÓ DE FERRO

APÓS SINTERIZAÇÃO

A 1150oC, POR 120min EM

ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO



FASES:

A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ

PERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DE

DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-α) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO).



FASES:

Microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg

mostrando diversas fases precipitadas



FASES:

Micrografia da Liga

Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão



TRINCAS:



TRINCAS:



MICROESTRUTURA



MICROESTRUTURA

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 o

número de lacunas em um material metálico? Justifique sua resposta.

4- Como os defeitos cristalinos podem ser classificados, cite exemplo dos

defeitos.

5- Por que os defeitos são importantes na determinação de algumas

propriedades físicas e mecânicas? Cite alguns exemplos.

6- Qual a influência das discordâncias nas propriedades mecânicas dos

materiais?

7- Como o tamanho de grão interfere nas propriedades mecânicas dos

materiais? 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 google

apps: CTM

Referências

1- Aulas profa. Eleani Maria da Costa – PUCRS;

2- Introdução à Ciência dos Materiais para

Engenharia, alulas Prof. Dr. Antônio Carlos Vieira

Coelho, Escola Politécnica da USP;

3- Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia. Ed.

Hemus. São Paulo. 1997;

4- Van Vlack, L. H., Princípios de Ciência dos

Materiais. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1970;

5- Callister, Jr, W. D., Ciência e Engenharia de

Materiais: Uma introdução, Ed. LTC, 5ed., Rio de

Janeiro, RJ, 2002.


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