INTRODUÇÃO A CIÊNCIA DOS MATERIAIS

Professora Ana María Pérez CeballosEngenheira Metalúrgica, M. Sc.

Aula 2Novembro de 2012

Engenheira Metalúrgica, M. Sc.

MONOCRISTAIS Para um material cristalino,quando o arranjo periódico erepetido de átomos for perfeitoou se estende através de toda aamostra sem interrupção, oresultado é um MONOCRISTAL.

Todas as células unitáriasTodas as células unitáriasencadeiam-se da mesma maneirae têm a mesma orientação.

Fotografia de um monocristal de granate encontrado na China [1].

Arranjo atômico num monocristal. Oarranjo dos átomos é periódico ao largode todo o volumé.

ANISOTROPIA

As propriedades físicas de monocristais dealgumas substâncias dependem dadireção cristalográfica na qual asmedições sejam feitas. Por exemplo, omódulo elástico, a condutividade elétrica,e o índice de refração podem ter valoresdiferentes nas direções [100] e [111].

Esta direcionalidade das propriedades édenominada ANISOTROPIA e estáassociada com a variância doespaçamento atômico ou iônico com adireção cristalográfica.

Cristal de gesso cortado com una faca num certo planocristalográfico. http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/atomic-scale-structure/single2.php

Os planos de clivagem de um cristal são planos, através dos quais o material pode quebrarou separar-se facilmente, isto é, porque as forças de ligação perpendiculares a esses planossão mais fracas do que nas outras direções. O diamante e quartzo não tem planos declivagem, por esta razão é necessária uma força maior para fratura-los.

ANISOTROPIA

Módulo elástico para metais em certos planos cristalográficos [1].

ANISOTROPIA

Birrefringência num cristal decalcita.

Num monocristal de quartzo, existe apenas uma direção na qual não há dupla refração(birrefringência). Se a amostra é cortada de modo que a luz incidente é paralelo a estadireção, não há nenhuma transmissão de luz através do vidro.

A direcção cristalográfica que exibe esta propriedade é conhecida como o EIXO ÓPTICO.

calcita. http://es.wikipedia.org/wiki/Birrefringencia

POLICRISTALES Um sólido policristalino éformado por um agregado demuitos pequenos cristais ougrãos. A junção entre estesgrãos ou cristais é chamado decontorno de grão.

Cada grão pode se pensarcomo um monocristal.

A B

como um monocristal.

Durante a solidificação noestado A se geram pequenosnúcleos que crescem em certasdireções (B) hasta que seucrescimento se vê impedidopelo encontro com um cristalvizinho (C).

Esquema da formação de um policristal durante a solidificação [1].

C D

POLICRISTALES

Arranjo atômico num policristal. O arranjo dos átomos é periódico ao

longo de cada grão.

A forma tridimensional dos grãos de um policristal ésemelhante à forma individual das bolhas de sabãoformadas por injeção de gás numa solução de sabãocontido dentro de uma caixa transparente.

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/atomic-scale-structure/poly.php

POLICRISTALES

Para muitos materiais policristalinos, a orientação cristalográfica dosgrãos que o constituem é completamente randômica. Nestascircunstâncias, apesar de cada grão poder-se comportar comoanisotrópico, a amostra formado pelo agregado de cristais secomporta isotropicamente.

Um material exibe isotropia quando o valor das propriedadesUm material exibe isotropia quando o valor das propriedadesmedidas é independente da direção cristalográfica na que se faz amedida.

A magnitude da propriedade medida está dada pela media de todosos valores medidos nas diversas direções. Algumas vezes os grãosdos materiais policristalinos têm uma orientação cristalográficapreferencial, neste caso se considera que os materiais presentãotextura cristalográfica.

DEFEITOS EM CRISTAIS

As propriedades de alguns

materiais estão influenciadas pela

presencia de imperfeições nos

cristais. Portanto, é importante

saber que existem vários tipos de

defeitos e da influência que

exercem sobre o comportamento

Defeitos Pontuais

Defeitos Lineares

exercem sobre o comportamento

dos materiais.

Exemplo: A liga 70%Cu-30%Zn é

muito mais resistente e dura que o

Cu puro.

RT Liga 70%Cu-30%Zn: 338-469 MPa

RT Cu puro: 224-314 MPa

Defeitos Planares

Defeitos Volumétricos

DEFEITOS DE PONTO

VACÂNCIAS

O mais simples dos defeitos de pontos éuma vacância ou sítio vazio da rede, isto é,está faltandoum átomo no sítio normalmente ocupado.Vacâncias são formadas durante asolidificação e também como um resultadode vibrações atômicas, que causam ode vibrações atômicas, que causam odeslocamento de átomos a partir de seussítios normais na rede.

O número de vacâncias está dado por:

Representação em duas dimensões de uma vacância [1].

kT

Q

v

v

NeN−

=

N é o número total de sítios de

átomos, Qv é a energia de

ativação (energia de vibraçãorequerida para a formação deuma vacância), T é a

temperatura absoluta, em kelvin,

e k é a constante universal dogás ideal por molécula ouconstante de Boltzmann k é

1,38 x 10-23 J/atom-K,

ÁTOMOS INTERSTICIAIS Os interstícios podem ser preenchidos por átomos da mesma espécie dos

que fazem parte da rede cristalina ou por outro tipo de átomos

(impurezas).

DEFEITOS DE PONTO

Representação em duas dimensões de um átomo intersticial da mesma espécie [1].

Representação em duas dimensões de um átomo impureza intersticial [1].

ÁTOMOS SUBSTITUCIONAIS Quando átomos de impurezas

ocupam sítios da rede cristalina

que estariam ocupados pelos

átomos da rede original.

Para que se presente um átomo

DEFEITOS DE PONTO

Para que se presente um átomo

substitucionais:

• tamanho atômico

• estrutura cristalina

• diferencia de eletronegatividade

• número de valênciaRepresentação em duas dimensões de um átomo

impureza substitucional[1].

Exemplo: Solução sólida substitucional Cu-Ni

rCu= 0,128 nm, rNi= 0.125 nm, FCC, eletronegatividade Cu=1,9 Ni=1,8, valência +1 Cu, +2 Ni

DEFEITOS DE PONTO

Efeito dos átomos substitucionais e intersticiais sobre a rede cristalina e sobre a curva tensão-deformação [3].

PARES DE FRENKEL E SCHOTTSKY

• Frenkel: Um cátion sedesloca de seu ponto derede ao interstício eorigina uma vacância.

DEFEITOS DE PONTO

Representação em duas dimensões de pares de Frenkel e Schottsky [1].

• Schottsky: Dois íons decarga oposta se perdem,gerando um par deburacos por causa dasua ausência.

• Vacâncias

• Átomos Intersticiais

• Átomos SubstitucionaisMetais

DEFEITOS DE PONTO

DEFEITOS DE PONTO

• Pares de Frenkel

• Pares de SchottskyCerâmicas

DE PONTO

DEFEITOS LINEARES

DISCORDÂNCIAS

Uma discordância é um defeito linear ou

unidimensional ao redor de alguns átomos

desalinhados, este tipo de defeitos se

aparecem durante processos de

solidificação ou deformação mecânica,

causando a distorção da rede.causando a distorção da rede.

A magnitude e direção da distorção da rede

associada à presencia da discordância é

dada em termos do vetor de Burgers . Para

uma discordância de aresta, este é

perpendicular à direção da discordância.

Para uma discordância em parafuso, este é

paralelo à direção da discordância.

Posições atômicas ao redor de uma discordância de aresta [1].

DISCORDÂNCIAS DE ARESTA

É um defeito linear que é dado pela presença de uma porçãoextra de um plano de átomos, ou meio plano, cuja arestatermina dentro do cristal.

DEFEITOS LINEARES

Movimento de uma discordância de aresta ao

aplicar um esforçohttp://www.ic.arizona.edu/ic/mse257/class_notes/disclo

cation.html

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/dislocations/media.php?type=video&file=true-glide.mov&caption=Animation+of+slip+by+dislocation+glide&width=305&height=245&popup=&return=dislocation_glide

DISCORDÂNCIAS EM PARAFUSO

É um defeito linear que é dado pela rotação e deslizamento de

um plano de átomos sobre outros.

DEFEITOS LINEARES

Discordância em parafuso[1].

DISCORDÂNCIAS MISTAS

Muitas discordâncias encontradas em materiais cristalinos provavelmente não sãonem discordâncias de aresta pura nem discordâncias em espiral puras, mas simcompostas de ambos os tipos discordâncias; estas são denominadas discordânciasmistas.

DEFEITOS LINEARES

Discordância Mista[1].

DISCORDÂNCIAS

DEFEITOS LINEARES

This TEM image shows the interior of a quartz grain experimentally deformed.

http://virtualexplorer.com.au/special/meansvolume/contribs/jessell/lectures/lec1.html

DEFEITOS PLANARES OU INTERFACIAIS

Defeitos interfaciais sãocontornos que têm 2 dimensõese normalmente separam regiõesdos materiais que têm diferentesestruturas cristalinas e/ouorientações cristalográficas.

Estas imperfeições incluemsuperfícies externas, contornosde grão, contornos de maclas,falhas de empilhamento econtornos de fases.

Contornos de grão de baixo e alto angulo [1].

DEFEITOS EM SÓLIDOS

http://homepages.spa.umn.edu/~vinals/research/defect_motion/index.html

DEFEITOS EM SÓLIDOS

DEFEITOS EM SÓLIDOS

http://www.weldreality.com/stainlesswelddata.htm

Corrosão intergranular num aço inox

REFERÊNCIAS

[1] Callister W., Materials Science and Engineering, and Introduction. Ed.John Wiley and sons, 7 Ed, 2007.

[2] Askeland D.R., Phulé P.P., Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Ed.Thomson, 4 Ed, 2006.

[3] Restrepo J.W, Notas del Curso Introducción a la Ciencia y Mecánica de losMateriales , EIA.Materiales , EIA.

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/crystallography3/index.php

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/dislocations/index.php

http://www.youtube.com/watch?v=lCCOdG9dILk&list=LPDirqXAt57a0&index=8&feature=plcp

http://www.youtube.com/watch?v=J_2FdkRqmCA&feature=related