defeitos e imperfeições A

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Imperfeições nos Sólidos (Defeitos nas estruturas cristalinas)

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  Importância

  Imperfeições (defeitos)

 Tipos de defeitos:

-‐ Pontuais -‐ Lineares -‐ Interfaciais ou contornos -‐ Volumétricos ou de massa (trincas)

Defeitos na estrutura cristalina

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 Agitação térmica, os átomos de um cristal real estão sempre vibrando.

 Quanto maior a energia térmica, maior será a chance de átomos saírem de suas posições, deixando um vazio (vacância) em seu lugar.


Motivos para formação de defeitos:

 Dentro da rede cristalina existem inúmeros espaços vazios (interstícios), nos quais é possível alojar outros átomos.

 É praticamente impossível obter um material extremamente puro. Sempre haverá impurezas presentes na rede cristalina.


Motivos para formação de defeitos:

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PONTUAIS LINHA DISCORDÂNCIAS INTERFACIAIS

DEFEITOS NA ESTRUTURA CRISTALINA


1-‐ Defeitos Pontuais:

1.1- Lacuna (vazio): Ausência de um átomo, é o mais simples dos defeitos pontuais.


- Normalmente para formar lacunas é necessário dispor de energia térmica. Isto quer dizer que quanto maior a temperatura, maior será a concentração de defeitos.

O Número de lacunas (Nv) para uma quantidade de material:

Nv é o número de defeitos N número total de sítios atômicos Qv é a energia de ativação para formação do defeito k é a constante de Boltzmann

T é a temperatura absoluta em Kelvin (T(K)= oC + 273,15)


EXERCÍCIO   Calcule o número de lacunas em equilíbrio por metro cúbico

de cobre a uma temperatura de 1000ºC. A energia para formação de uma lacuna é de 0,9 eV/átomo; o peso atômico e a densidade (a 10000C) para o cobre são de 63,5 g/mol e 8,4 g/cm3, respectivamente.

€

N =N A ×ρ

A onde N = n o de sítios atômicos

N A = n o de Avogadro (6,02 x 1023 átomos/mol)ρ = massa específicaA = peso atômico

1º calcular N

2º calcular Nv

€

Nv = N.exp − QkT

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

Nv = 7,96x1028 átomosm3

.exp − (0,9eV)(8,62x10-5 eV/K).(1273K)

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

Nv = 2,18x1025 lacunas /m3

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1.2- Schottky: ausência de um par de íon

OBS: mais provável


1.3-‐ Defeito de Frenkel: Presença de um par de íon no inters<cio

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1.4-‐ Defeito inters>cial ou auto inters>cial: Presença de um átomo no inters<cio.


Lacuna

Átomo no interstício


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1- Defeitos Pontuais: Resumo

Defeitos pontuais. (a) Vazio. (b) Vazio triplo. (c) Defeitos de Schottky. (d) Defeitos intersticiais. (e) Defeitos de Frenkel.

A C

D E

B


  Impurezas poderão assumir dois tipos de posição na rede cristalina de outro material

-  Impureza intersticial - um exemplo fundamental (Interstícios: espaços vazios na rede)

- Impureza substitucional- Substituição de um átomo do material por outro átomo

Impurezas nos sólidos

 Metais – Ligas (mistura de 2 ou mais elementos) onde átomos de impureza são adicionados intencionalmente para:

  aumentar resistência mecânica

  aumentar resistência à corrosão

  aumentar a condutividade elétrica e etc...

Ex: Aço – Fe e C


 Adição de átomos de impureza pode formar:

  solução sólida

  segunda fase

- Depende do tipo de impureza, concentração, temperatura


Solução Sólida

Solução Sólida- Ocorre quando os átomos adicionados passam a fazer parte integral da fase sólida, sem alterarem a estrutura cristalina e nenhuma nova fase é formada.

  O elemento presente em maior quantidade denomina-se solvente,

  O elemento em menor quantidade corresponde ao soluto.

Solução sólida

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  Substitucional   Intersticial

Àtomo de Ferro

Àtomo de Carbono

- Nas soluções sólidas podemos encontar defeitos do tipo pontual:

Solução sólida

Desta forma, a solução sólida pode ser:

Solução Sólida substitucional Solução Sólida intersticial

Solução sólida

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As soluções sólidas substitucionais podem ser:

SUBSTITUCIONAL ORDENADA (temp. baixa)

SUBSTITUCIONAL DESORDENADA

Solução sólida

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 Limite de solubilidade:

É a concentração máxima de soluto que pode ser adicionada sem que ocorra a formação de uma nova fase

Fase

  Fase: porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes

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Fase

1- Fator de tamanho atômico: menor que +/-15%

2- Estrutura cristalina- mesma estrutura cristalina

3- Eletronegatividade - similares

4- Valência- Um metal dissolve melhor um outro metal de maior ou igual valência do que um metal de menor valência

Solução sólida

 Efeito da relação das dimensões atômicas sobre a solubilidade sólida.

À medida que se aumenta a diferença de dimensões, a solubilidade diminui.

Solução sólida

- Causam grande deformação da rede

- raio atômico do soluto bem menor que o solvente (< 59%)

- Concentração máxima permitida é baixa (<10%)

Solução sólida

Ex. Fe e C Elemento Raio atômico C 0,71 A Fe 1,24 A

Solubilidade máxima do Carbono no ferro é de 2,1% a 910 oC

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Exemplos de soluções sólidas intersticiais

Solução sólida: especificação da composição

€

C1 =m1

m1 +m2

.100 m1-peso ou massa do elemento 1

€

C1' =

nm1nm1 + nm2

.100 m1= massa em (g) A= peso atômico

€

nm1 =m1

A1


€

C1 =C1

' .A1

C1' .A1 +C2

' .A2

.100

C2 =C2

' .A2

C1' .A1 +C2

' .A2

.100

€

C1' =

C1 .A2

C1 .A2 +C2.A1

.100

C2' =

C2.A1

C1 .A2 +C2.A1

.100


€

C1' =

C1 .A2

C1 .A2 +C2.A1

.100

C2' =

C2.A1

C1 .A2 +C2.A1

.100

R= 98,7%a de Al e 1,30%a de Cu

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2-‐ Defeitos de lineares-‐Discordâncias

 As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais).

 O principal defeito de linha de um cristal é a discordância, considerada a responsável pelo fenômeno de escorregamento, segundo o qual se deforma a maioria dos metais.

 A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais.

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Defeitos de Linha ou Unidimensional

Cunha ou Aresta

Hélice ou Espiral Mista

Os tipos de discordâncias são:

Defeitos lineares: discordâncias

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2.1- DISCORDÂNCIAS EM CUNHA

Defeitos lineares: discordâncias em cunha

É o tipo mais simples de discordância

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 Envolve um SEMI-‐plano extra de átomos no reticulo cristalino

 Envolve zonas de tração e compressão

 O vetor de Burger (b) é perpendicular à direção da linha da discordância

Defeitos lineares: discordâncias em cunha

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VETOR DE BURGER (b)

 Dá a magnitude e a direção de distorção da rede (deslizamento ou escorregamento)

 Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância (magnitude do defeito)

Defeitos lineares: discordância- vetor de Burger

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Defeitos lineares: discordâncias- vetor Burger

Um circuito de Burgers é um caminho de átomo para átomo que forma um circuito fechado, se efetuado numa região de cristal perfeito.

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Campo de tensões envolve componentes de tração e compressão

C

Tensões

Defeitos lineares: discordâncias em cunha - tensões

  Tensão de cisalhamento produz uma distorção na rede.   O vetor de Burger (b) é paralelo à direção da linha de discordância.

Defeitos lineares: discordância em hélice

2.2- Discordância em hélice ou espiral

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Ocorre quando a parte superior do cristal sofre um deslocamento em relação à parte inferior na direção do vetor deslizamento

Vetor de burgues é Paralelo a linha de discordância


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Campo de tensões é simétrico e paralelo ao vetor de Burger (b), não envolve componentes de tração ou

compressão apenas cisalhamento

Tensões


O vetor de Burgers mantém uma direção fixa no espaço.

Na extremidade inferior esquerda, onde a discordância é pura hélice, b paralelo a discordância.

Na extremidade superior direita, onde discordância é pura linha, b perpendicular a discordância

2.3- DISCORDÂNCIA MISTA

Defeitos lineares: discordância mista

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3.1 Superfícies Externas: São as imperfeições de fronteira (superfícies adjacentes), ou seja, a própria superfície externa do cristal

3- Defeitos Interfaciais ou de superfície

Defeitos interfaciais


3.2 Contorno de grão: Separa dois cristais que possuem diferentes orientações cristalográficas

Processo de solidificação (cristalização) de um metal


-  O empacotamento atômico, menor ao longo do contorno, favorece a difusão atômica;

-  modifica a progressão dos movimentos de discordância;

-  interfere na deformação plástica de um material

3.2- CONTORNO DE GRÃO

Contorno de grão de alto ângulo

Contorno de grão de baixo ângulo

Ângulo de desalinhamento

Ângulo de desalinhamento

Defeitos interfaciais: contorno de grão

3.3 Contorno de MACLA

Plano de Macla

Formadas pela aplicação de tensão mecânica (cisalhamento) ou em tratamentos térmicos de recozimento

Defeitos interfaciais: contorno de macla

EXERCÍCIO   Calcule a fração dos sítios atômicos que estão vagos para o

Cobre na sua temperatura de fusão 1084ºC. A energia para formação de lacunas é 0,9 eV/átomo.

Dados: K=8,62x10-5 eV/átomo.k

€

N =N A ×ρ

A onde N = n o de sítios atômicos

N A = n o de Avogadro (6,02 x 1023 átomos/mol)ρ = massa específicaA = peso atômico

€

Nv = N.exp − QkT

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

Nv é o número de defeitos N número total de sítios atômicos

R: 4,56x10-4

€

C1' =

C1 .A2

C1 .A2 +C2.A1

.100

C2' =

C2.A1

C1 .A2 +C2.A1

.100

R= 87,9%a de Ag e 12,1%a de Cu

Peso atômico: Prata 107,87g/mol e Cu 63,55 g/mol

R= 1,68%p de Cu e 98,32%p de Pt

Peso atômico: Pt 195,08g/mol e Cu 63,55 g/mol

€

C1 =C1

' .A1

C1' .A1 +C2

' .A2

.100

C2 =C2

' .A2

C1' .A1 +C2

' .A2

.100

R= 98,87%p de Fe, 0,19%p de C, e 0,94%p de Cr

É isso!

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