Ciência Dos Materiais - Unidade 03 - Imperfeições No s Sólidos

7/13/2019 Cincia Dos Materiais - Unidade 03 - Imperfeies No s Slidos

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Cincia dos Materiais

Prof. Kristopher Mendes


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Unidade 03

Imperfeies nos Slidos


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Pontos a serem discutidos:

Quais os tipos de defeitos que surgem nos slidos?

O nmero e o tipo de defeitos podem variar e serem

controlados?

Como os defeitos afetam as propriedades dos materiais?

Os defeitos so desejveis?

Como os defeitos pontuais presentes nas cermicas diferem

dos metais?

Nas cermicas, como as impurezas so acomodadas no

reticulado e como elas afetam as propriedades?


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Defeitos pontuais:

Lacunas

tomos intersticiais

tomos substitucionais

Defeitos lineares:

Discordncias

Defeitos interfaciais:

Contornos de gro

Tipos de imperfeies


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Lacuna:ausncia de um tomo na estrutura

Vacancydistortionof planes

Auto-intersticial: tomo "extra" posicionado em um stio intersticial.

self-

interstitialdistortionof planes

Defeitos pontuais

Distorode planos

lacuna

Distorode planos

auto-intersticial


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A concentrao de equilbrio varia com a temperatura, conforme a

equao abaixo:

Onde:

Nd: nmero de defeitos.

N: nmero total de stios atmicos.

Qd: energia de ativao.

k: constante de Boltzmann (1,380 x 10-23 J/tomo.K ou

8,620 x 10-5 eV/tomo.K).

T: temperatura absoluta [T(K) = T(oC) + 273].

Concentrao de equilbrio de defeitos pontuais

k.T

QN .N dd exp


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Estimativa da concentrao de lacunas

Determine o nmero de lacunas em equilbrio em 1,000 m3 de cobre a

1000oC.

Dados: Cu(1000C)= 8,400 g/cm3 ACu= 63,550 g/mol

Ql= 0,900 eV/tomo NA= 6,023 x 1023 tomos/mol

Temos:

Logo:

Nl= 2,183 x 1025 lacunas

stiosx 28109617,.. VA

NN

Cu

A

1273106208

9000109617

5

28

.Nl

xx

,,exp.,


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Defeito de Frenkel: um ction est fora do lugar.

Defeito de Shottky: um par de lacunas de um ction e um nion.

Concentrao de equilbrio de defeitos:

Defeitos em estruturas cermicas

Defeito de Shottky

Defeito de Frenkel

k.T

QN .N

fr

fr2

exp

k.T

QN .N ss

2exp


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Existem duas possibilidades quando um elemento adicionado a outro:

1) Soluo slida deBemA, comdistribuio aleatria dos tomos.

2) Soluo slida de B em A, mais partculas de uma nova fase

(normalmente quando h uma maior quantidade de B)

ou

Ligasubstitucional (Cuem Ni) Ligaintersticial (Cem Fe)

Partcula de segunda fase:-composio diferente.-estruturadiferente.

Defeitos pontuais em ligas


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Impurezas devem tambm satisfazer o balano de cargas.

Exemplo: NaCl Ction substitucional

nion substitucional

Impurezas em cermicas

Geometria inicial Impureza Ca2+ Geometria resultante

Ca2+

Na+

Na+Ca2+

lacuna ction

Geometria inicial Impureza O2-

O2-

Cl-

Lacuna nion

Cl-

Geometria resultante


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Definio: quantidade de soluto (B) e solvente (A) no sistema.

H duas descries:

% em peso (%p) % atmica (%a)

Converso entre % em peso e % atmica em uma liga A-B:

Base para converso:

Massa de B = mols de B x AB, onde AB o peso atmico de B.

Massa de A = mols de A x AA, onde AA o peso atmico de A.

Composio ou concentrao

100.mm

mC

BA

BB

100nn

nC

BA

B

mm

m

B .'

100.ACAC

ACC

BBAA

BBB

..

.''

'

100.ACAC

ACC

ABBA

ABB

..

.'


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Causam escorregamento entre planos cristalogrficos quando se

movem.

Produzem deformao permanente (plstica).

Exemplo: cristal hexagonal compacto (HC):

antes da deformao aps a deformao

planos deescorregamento

Defeitos lineares: discordncias


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Tipos de discordncias

Discordncia em aresta: uma poro extra de um plano de tomos, cuja

aresta termina no interior do cristal.

Vetor de Burgers

Linha da

discordncia

aresta


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Discordncia em espiral: apresenta

uma trajetria espiral ou helicoidal

traada em torno da linha de

discordncia.

Linha da discordnciaVetor de

Burgers

Vetor de

Burgers


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Discordnciasmistas:

exibem componentes que so

caractersticos de ambos os

tipos (aresta e espiral),

no aresta pura nem espiral

pura,

porm o vetor de Burgers

sempre o mesmo.


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A linha da discordncia (pontos vermelho se movendo) separa o

material deformado abaixo do material no deformado acima.

Simulao do deslocamento de

uma discordncia da esquerda

para a direita a medida que o

cristal cortado.

Escorregamento de planos


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O deslocamento da discordncia requer sucessivas quebras de planos

de tomos (da direita para a esquerda).

As ligaes atravs dos planos de deslizamento so quebradas e

refeitas sucessivamente.

Viso atmica do movimento da

discordncia em aresta da direita

para a esquerda medida que o

cristal cortado.

Quebra de ligaes


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So fronteiras entre os cristais.

So produzidos, por exemplo, pelo processo de solidificao. Provocam uma mudana de orientao ao longo do material. Impedem o movimento das discordncias.

Defeitos interfaciais: contornos de gro

Contornosde gro

lingote metlico

8,000 cm

Fluxo de calor


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Diagramas esquemticos dos vrios estgios na solidificao de ummaterial policristalino.

Defeitos interfaciais: contornos de gro


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Aumento de at 2000X.

O polimento produz uma superfcie plana.

O ataque qumico altera a refletncia conforme a orientao do cristal.

Planos compactos

Micrografia de uma amostra delato policristalino (Cu e Zn)

0,750 mm

Microscopia tica

microscpio


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Os contornos de gro: so imperfeies, so mais susceptveis ao ataque

qumico, podem ser revelados como linhas

escuras, alteram a direo em um policristal.

Tamanho de gro:

N = 2n-1

Onde:N: nmero de gros por polegada,com um aumento de 100X.

n: tamanho de gro ASTM.

Fe-Cr alloy

microscpio

Contorno de gro

Sulco da superfcie

Superfcie polida

Microscopia tica

Mi i l t i


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Microscopia eletrnica

As ampliaes so maiores (20.000X) e a imagem formada por meio

da utilizao de feixes de eltrons.

Microscpio eletrnico de varredura (MEV):

O feixe de eltrons refletido (ou retroespalhado) coletado.

A amostra pode ou no estar polida ou atacada.

Microscpio eletrnico de transmisso (MET):

O feixe de eltrons que passam atravs da amostra (transmitidos) coletado.

A amostra deve ser uma pelcula muito fina.

Mi i d t l t d d


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Os tomos podem ser arranjados em imagens.

Molculas de monxido decarbono implantadas em

uma superfcie de platina.

tomos de ferro implantadosna superfcie do cobre. Estes

caracteres representam apalavra tomo.

Microscopia de tunelamento de varredura

R


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Defeitospontuais,lineareseinterfaciaispodem ser observados nos

slidos. O nmero e os tipos de defeitos podem variar e serem controlados

(exemplo: a temperatura controla a concentrao de lacunas).

Defeitos afetam as propriedades dos materiais (exemplo: contornos

de gro controlam o escorregamento de planos em um policristal).

Defeitos podem ser desejveis ou indesejveis (exemplo: a presena

de discordncias pode ser boa ou ruim dependendo se a deformao

plstica desejvel ou no)

Resumo

E emplos


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1) Determine a frao dos stios atmicos que esto vagos para o

cobre na sua temperatura de fuso de 1084,000oC. Considere a energiapara a formao de lacunas igual a 0,900 eV/tomo.

Temos:

Qd = 0,900 eV

k = 8,620 x 10-5 eV/tomo.K

T = 1084,000 + 273,000 = 1357,000 K.

Exemplos

k.T

Q

N .N

d

d exp

40001357106208

9000

105554

5

*,,**,

,

ek.T

Q

N

Ndd exp


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2) Determine a composio, em porcentagem atmica, de uma liga

que contm, em porcentagem em massa, 92,500% de prata e 7,500%de cobre.

Temos: CAg= 92,500%p AAg= 107,870 g/mol

CCu= 7,500%p ACu= 63,550 g/mol

Assim:

10055063500928701075007

8701075007100 ..

ACAC

ACC

CuAgAgCu

AgCu

Cu,.,,.,

,.,

..

.'

a.CCu %,,,

,'09812100

3755878025809

025809

aCC CuAg %,,,''

9028709812000100100


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3) Um metal tem tamanho de gro ASTM igual a 8. Para um aumento

de 60X, quantos gros sero observados em um quadrado cujo lado igual a uma polegada?

Temos: n = 8 M = 60

Assim:

N60= 355,555 gros/polegada2

1

2

2100

nM

MN

18

2

60 260

100

.N

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