IMPERFEIES CRISTALINAS

- Defeitos pontuais- Defeitos de linha (discordncias)-Defeitos de interface (gro e maclas)-Defeitos volumtricos (incluses, precipitados)

uma imperfeio ou um "erro" no arranjo peridico regular dos tomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade: na posio dos tomos no tipo de tomos O tipo e o nmero de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das circunstncias sob as quais o cristal processado. O QUE UM DEFEITO?

Apenas uma pequena frao dos stios atmicos so imperfeitosMenos de 1 em 1 milho

Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa

DEFEITOSINTRODUOSELETIVACONTROLE DO NMEROARRANJOPermite desenhar e criar novos materiais com a combinao desejada de propriedadesIMPERFEIES ESTRUTURAIS- IMPORTNCIA-

O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeies para mudar o tipo de condutividade em determinadas regies do materialA deformao mecnica dos materiais promove a formao de imperfeies que geram um aumento na resistncia mecnica (processo conhecido como encruamento) Wiskers de ferro (sem imperfeies do tipo discordncias) apresentam resistncia maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa.

Exemplos de efeitos da presena de imperfeies

IMPERFEIES ESTRUTURAIS

So classificadas de acordo com sua geometria ou dimenses

IMPERFEIES ESTRUTURAISDefeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posies atmicasDefeitos lineares: uma dimenso

Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimenses

Defeitos volumtricos: trs dimenses

1- DEFEITOS PONTUAIS

Vacncias ou vaziostomos IntersticiaisSchottkyFrenkelOcorrem em slidos inicos

VACNCIAS OU VAZIOSEnvolve a falta de um tomoSo formados durante a solidificao do cristal ou como resultado das vibraes atmicas (os tomos deslocam-se de suas posies normais)

VACNCIAS OU VAZIOSO nmero de vacncias aumenta exponencialmente com a temperatura

Nv= N exp (-Qv/KT)

Nv= nmero de vacnciasN= nmero total de stios atmicosQv= energia requerida para formao de vacnciasK= constante de Boltzman

INTERSTICIAISEnvolve um tomo extra no interstcio (do prprio cristal)Produz uma distoro no reticulado, j que o tomo geralmente maior que o espao do interstcioA formao de um defeito intersticial implica na criao de uma vacncia, por isso este defeito menos provvel que uma vacncia

tomo intersticial pequenotomo intersticial grandeGera maior distoro na redeINTERSTICIAIS

FRENKEL

Ocorre em slidos inicosOcorre quando um on sai de sua posio normal e vai para um interstcio

SCHOTTKY

Presentes em compostos que tem que manter o balano de cargasEnvolve a falta de um nion e/ou um ction

IMPUREZAS NOS SLIDOSUm metal considerado puro sempre tem impurezas (tomos estranhos) presentes

99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3

A presena de impurezas promove a formao de defeitos pontuais

LIGAS METLICASAs impurezas (chamadas elementos de liga) so adicionadas intencionalmente com a finalidade:aumentar a resistncia mecnicaaumentar a resistncia corrosoAumentar a condutividade eltricaetc.

A ADIO DE IMPUREZAS PODE FORMARSolues slidas< limite de solubilidadeSegunda fase> limite de solubilidade

A solubilidade depende :TemperaturaTipo de impurezaConcentrao da impureza

Nomenclatura

Elemento de liga ou impureza: soluto (< quantidade)

Matriz ou hospedeiro: solvente (>quantidade)

SOLUES SLIDASA estrutura cristalina do material que atua como matriz mantida e no formam-se novas estruturasAs solues slidas formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimenses eletrnicas semelhantes

SOLUES SLIDASNas solues slidas as impurezas podem ser:

- Intersticial- SubstitucionalOrdenadaDesordenada

SOLUES SLIDAS INTERSTICIAISOs tomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaos dos interstciosOcorre quando a impureza apresenta raio atmico bem menor que o hospedeiroComo os materiais metlicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posies intersticiais so relativamente pequenasGeralmente, no mximo 10% de impurezas so incorporadas nos interstcios

EXEMPLO DE SOLUO SLIDA INTERSTICIALFe + Csolubilidade mxima do C no Fe 2,1% a 910 oC (Fe CFC) O C tem raio atmico bastante pequeno se comparado com o Fe

rC= 0,071 nm= 0,71 ArFe= 0,124 nm= 1,24 A

TIPOS DE SOLUES SLIDASSUBSTITUCIONAISSUBSTITUCIONAL ORDENADASUBSTITUCIONAL DESORDENADA

FATORES QUE INFLUEM NA FORMAO DE SOLUES SLIDAS SUBSTITUCIONAISREGRA DE HOME-ROTHERYRaio atmicodeve ter uma diferena de no mximo 15%, caso contrrio pode promover distores na rede e assim formao de nova faseEstrutura cristalina mesmaEletronegatividade prximasValnciamesma ou maior que a do hospedeiro

EXEMPLO DE SOLUO SLIDA SUBSTITUCIONALCu + Niso solveis em todas as propores

2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDNCIASUma discordncia um defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns tomos esto desalinhados.

2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDNCIASPodem ser:

- Aresta- Espiral- Mista

2.1- DISCORDNCIA EM ARESTAEnvolve um SEMI-plano extra de tomosO vetor de Burger perpendicular direo da linha da discordncia

DISCORDNCIAS EM ARESTA

VETOR DE BURGERD a magnitude e a direo de distoro da rede

Corresponde distncia de deslocamento dos tomos ao redor da discordncia

DISCORDNCIAS EM ARESTA

2.2- DISCORDNCIA EM ESPIRAL

2.2- DISCORDNCIA EM ESPIRAL

2.2- DISCORDNCIA MISTA

2.2- DISCORDNCIA MISTA

OBSERVAO DAS DISCORDANCIAS

Diretamente: Transmission Electron Microscope (TEM) ou HRTEM (High Resolution)

Indiretamente: Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) e microscopia ptica (aps ataque qumico seletivo)

DISCORDNCIAS NO TEM

DISCORDNCIAS NO HRTEM

DISCORDNCIAS NO HRTEM

CONSIDERAES GERAISA quantidade e o movimento das discordncias podem ser controlados pelo grau de deformao (conformao mecnica) e/ou por tratamentos trmicos.

Com o aumento da temperatura h um aumento na velocidade de deslocamento das discordncias favorecendo o aniquilamento mtuo das mesmas e formao de discordncias nicas.

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

3- DEFEITOS PLANOSOU INTERFACIAIS

Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimenses) e normalmente separam regies dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientaes cristalogrficas

3- DEFEITOS PLANOSOU INTERFACIAIS

Superfcie externaContorno de groFronteiras entre fasesMaclas ou TwinsDefeitos de empilhamento

3.1- DEFEITOS NA SUPERFCIE EXTERNA o mais bvioNa superfcie os tomos no esto completamente ligados Ento o estado energia dos tomos na superfcie maior que no interior do cristal

3.2- CONTORNO DE GRO

Corresponde regio que separa dois ou mais cristais de orientao diferente um cristal = um groNo interior de cada gro todos os tomos esto arranjados segundo um nico modelo e nica orientao, caracterizada pela clula unitria

Monocristal e Policristal

Monocristal: Material com apenas uma orientao cristalina, ou seja, que contm apenas um gro

Policristal: Material com mais de uma orientao cristalina, ou seja, que contm vrios gros

LINGOTE DE ALUMNIO POLICRISTALINO

GROA forma do gro controlada:- pela presena dos gros circunvizinhos

O tamanho de gro controlado- Composio qumica- Taxa (velocidade) de cristalizao ou solidificao

FORMAO DOS GROS

OBSERVAO DOS GROS E CONTORNOS DE GRO

Por microscopia (PTICA OU ELETRNICA)utiliza ataque qumico especfico para cada material

O contorno geralmente mais reativo

GROS VISTOS NO MICROSCPIO TICO

TAMANHO DE GROO tamanho de gro influi nas propriedades dos materiaisPara a determinao do tamanho de gro utiliza-se cartas padres

ASTMou ABNT

DETERMINAO DO TAMANHO DE GRO (ASTM)Tamanho: 1-10Aumento: 100 X

N= 2 n-1

N= nmero mdio de gros por polegada quadradan= tamanho de gro Quanto maior o nmero menor o tamanho de gro da amostra

Existem vrios softwares comerciais de simulao e determinao do tamanho de gro

CRESCIMENTO DO GRO com a temperaturaEm geral, por questes termodinmicas (energia) os gros maiores crescem em detrimento dos menores

3.3- TWINSMACLAS OU CRISTAIS GMEOS um tipo especial de contorno de groOs tomos de um lado do contorno so imagens especulares dos tomos do outro lado do contornoA macla ocorre num plano definido e numa direo especfica, dependendo da estrutura cristalina

ORIGENS DOS TWINSMACLAS OU CRISTAIS GMEOSO seu aparecimento est geralmente associado com A PRESENA DE:- tenses trmicas e mecnicas- impurezas

4- IMPERFEIES VOLUMTRICAS

So introduzidas no processamento do material e/ou na fabricao do componente

4- IMPERFEIES VOLUMTRICAS- InclusesImpurezas estranhasPrecipitadosso aglomerados de partculas cuja composio difere da matriz- Fasesforma-se devido presena de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade ultrapassado)- Porosidadeorigina-se devido a presena ou formao de gases

InclusesINCLUSES DE XIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%)

Incluses SULFETO DE MANGANS (MnS) EM AO RPIDO.

PorosidadeAs figuras abaixo apresentam a superfcie de ferro puro durante o seu processamento por metalurgia do p. Nota-se que, embora a sinterizao tenha diminudo a quantidade de poros bem como melhorado sua forma (os poros esto mais arredondados), ainda permanece uma porosidade residual.COMPACTADO DE P DE FERRO,COMPACTAO UNIAXIAL EM MATRIZ DE DUPLO EFEITO, A 550 MPa COMPACTADO DE P DE FERRO APS SINTERIZAO A 1150oC, POR 120min EM ATMOSFERA DE HIDROGNIO

EXEMPLO DE PARTCULAS DE SEGUNDA FASE A MICROESTRUTURA COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ PERLTICA. CADA GRO DE PERLITA, POR SUA VEZ, CONSTITUDO POR LAMELAS ALTERNADAS DE DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-A) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO).

microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg mostrando diversas fases precipitadas

Micrografia da Liga Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fuso