106401684-Aula-4-CTM-teorica.pptx
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UNIVERSIDADE ANHANGUERA – UNIDERPCURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
Prof.: MATHEUS PIAZZALUNGA NEIVOCKE-mail: [email protected]
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
As propriedades dos materiais são profundamente influenciadas pela presença deimperfeições.
Por esta razão é necessário ter oconhecimento sobre os tipos de imperfeiçõesque existem e sobre quais as consequênciasque elas causam nos materiais.
CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Prof.: Matheus P. Neivock
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
Por exemplo, a prata de lei (92,5% deprata e 7,5% de cobre) é muito mais resistenteque a prata pura.
Já o silício utilizado em nossos chip´s decomputador, quanto maior sua pureza menorquantidade de ruídos e interferências sãogerados durante o processamento de dados.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
Vimos até o momento, que em escalaatômica, muitos materiais apresentam umcerto grau de organização.
Infelizmente não são todos os materiaisque apresentam essa organização e muitomenos uma organização total de suaestrutura. Por essa razão o materialperfeito, sem defeitospraticamente não existe.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
Cabe a nós engenheiros e entusiastasdas ciências e tecnologia dos materiaisaprender a conviver e controlar estes defeitose imperfeições.
Mas antes de listar estes defeitos surge apergunta:
CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Prof.: Matheus P. Neivock
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
Cabe a nós engenheiros e entusiastasdas ciências e tecnologia dos materiaisaprender a conviver e controlar estes defeitose imperfeições.
Mas antes de listar estes defeitos surge apergunta:
“O que é um defeito cristalino?”
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CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Prof.: Matheus P. Neivock
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
É uma imperfeição ou um "erro" no arranjoperiódico 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 domaterial, do meio ambiente e das circunstânciassob as quais o material foi processado.
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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• 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 enem sempre de forma negativa.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
DEFEITOS
INTRODUÇÃOSELETIVA
CONTROLEDO NÚMERO ARRANJO
NOVOS MATERIAISOU
MATERIAIS COM PROPRIEDADES DESEJADAS
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSExemplo do efeito das imperfeições:
o O processo de dopagem em semicondutores visa criarimperfeições para mudar o tipo de condutividade emdeterminadas regiões do material;
o A deformação mecânica dos materiais promove aformação de imperfeições que gera um aumento naresistência (processo conhecido como encruamento);
o Wiskers de ferro (monocristais sem imperfeições do tipodiscordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa,enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente270MPa.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSClassificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensãoDISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES,CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensõesPOROS, TRINCAS E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSClassificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensãoDISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES,CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensõesPOROS, TRINCAS E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSClassificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensãoDISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES,CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensõesPOROS, TRINCAS E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSClassificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensãoDISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES,CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensõesPOROS, TRINCAS E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSClassificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensãoDISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES,CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensõesPOROS, TRINCAS, FASES E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSLACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSLACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSLACUNAS 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
ÁTOMOINTERSTICIAL
Prof.: Matheus P. Neivock
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSLACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSLACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSLACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
• Influenciam principalmente nas propriedadesóticas e elétricas dos materiais;
• Influem em processos como difusão,transformação de fases, fluência, etc…
• Átomos de soluto geram defeitos pontuais.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSLACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSLACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
SÓLIDOSIÔNICOS
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSClassificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensãoDISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES,CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensõesPOROS, TRINCAS, FASES E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS:
• As discordâncias estão associadas com acristalização e a deformação (origem: térmica,mecânica e supersaturação de defeitospontuais);
• A presença deste defeito é a responsável peladeformação, falha e ruptura dos materiais.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS:
• Podem ser:- Cunha- Hélice- Mista
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS:
VETOR DE BURGERS (b)
• Dá a magnitude e a direção de distorção darede
• Corresponde à distância de deslocamento dosátomos ao redor da discordância
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS:
VETOR DE BURGERS (b)
• Dá a magnitude e a direção de distorçãoda rede;
• Corresponde à distância de deslocamentodos átomos ao redor da discordância.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:
• Envolve um semi-plano extra deátomos;
• O vetor de Burger éperpendicular àdireção da linha dadiscordância.
• Envolve zonas detração e compressão;
Font
e: P
rof.
Sidn
ei, D
CM
M, P
UC
RJ
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – EM HÉLICE:
• Produz distorção narede;
• O vetor de burger éparalelo à direçãoda linha dediscordância.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – EM HÉLICE:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – EM HÉLICE:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – EM HÉLICE:
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DEUM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS
SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENTOS SUPERFICIAIS.(Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS E ENERGIA:
• A energia associada a uma discordânciadepende do vetor de Burger (varia com oquadrado do vetor de Burger);
• Discordância com alto vetor de Burger tende ase dissociar em duas ou mais discordâncias demenor vetor de Burger (como o vetor é menorque o vetor da rede é chamado de falha deempilhamento-stacking fault);
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – MISTAS:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS - Visualizando:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – Considerações Gerais:
• A quantidade e o movimento das discordânciaspodem ser controlados pelo grau de deformação(conformação mecânica) e/ou por tratamentostérmicos;
• Com o aumento da temperatura há um aumentona velocidade de deslocamento das discordânciasfavorecendo o aniquilamento mútuo das mesmase formação de discordâncias únicas;
• Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-seem torno das discordâncias formando umaatmosfera de impurezas.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDISCORDÂNCIAS – Considerações Gerais:
• A densidade das discordâncias depende daorientação cristalográfica, pois o cisalhamento se
dá mais facilmente nos planos de maiordensidade atômica;
• As discordâncias geram vacâncias (vazios);• As discordâncias influem nos processos dedifusão;
• A formação de discordâncias contribuem para adeformação plástica;
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSClassificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensãoDISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES,CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensõesPOROS, TRINCAS, FASES E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSDEPEITOS 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, porexemplo na seqüência ABCABCABC.... dos planoscompactos dos cristais CFC ou HC.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSCONTORNOS DE GRÃO:
MATERIAIS POLICRISTALINOS
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSCONTORNOS DE GRÃO:
Corresponde à região quesepara dois ou mais cristaisde orientação diferente.
UM CRISTAL = UM GRÃO
No interior de cada grão todosos átomos estão arranjadossegundo um único modelo eúnica orientação, caracterizadapela célula unitária
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSCONTORNOS DE GRÃO:
Monocristal: Material com apenas umaorientação cristalina, ou seja, que contémapenas um grão;
Policristal: Material com mais de uma orientaçãocristalina, ou seja, que contém vários grãos.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSCONTORNOS DE GRÃO:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSCONTORNOS 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 dasdiscordâncias.
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DISCORDÂNCIA
O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui umobstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHODE GRÃO .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSCONTORNOS DE GRÃO:
A passagem de umadiscordância através docontorno de grão requer
energia.
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DISCORDÂNCIA
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSCONTORNOS DE GRÃO:
A passagem de umadiscordância através docontorno de grão requer
energia.
?O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui umobstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHODE GRÃO .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
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DISCORDÂNCIA
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSCONTORNOS DE GRÃO:
A passagem de umadiscordância através docontorno de grão requer
energia.
AUMENTAO contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui umobstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHODE GRÃO .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSMACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS (TWINS):
• É um tipo especial decontorno de grão;
• Os átomos de um lado docontorno são imagensespeculares dos átomosdo outro lado do contorno
• A macla ocorre numplano definido e numadireçãodependendo
específica,da
estrutura cristalina
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSMACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS (TWINS):
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSMACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS (TWINS):
O seu aparecimentoestá geralmenteassociado com APRESENÇA DE:- Tensões térmicas;- Tensões mecânicas;- Impurezas.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSFALHAS DE EMPILHAMENTO:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSClassificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensãoDISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES,CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensõesPOROS, TRINCAS, FASES E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSIMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS:
- Inclusões: Impurezas estranhas;
de partículas cuja- Precipitados: são aglomeradoscomposição difere da matriz;
- Fases: forma-se devido à presença de impurezas ouelementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade éultrapassado);
origina-se devido a presença ou formação- Porosidade:de gases.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSINCLUSÕES:
INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%)LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSINCLUSÕES:
SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSPOROS:
COMPACTADO DE PÓ DEFERRO,COMPACTAÇÃOUNIAXIAL EM MATRIZ DEDUPLO EFEITO, A 550 MPa
COMPACTADO DE PÓ DE FERROAPÓS SINTERIZAÇÃO
A 1150oC, POR 120min EMATMOSFERA DE HIDROGÊNIO
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSFASES:
A MICROESTRUTURAÉ COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZPERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DEDUAS FASES: FERRITA(OU FERRO-α) E CEMENTITA(OU CARBONETO DE FERRO).
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSFASES:
Microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mgmostrando diversas fases precipitadas
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSFASES:
Micrografia da LigaAl-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSTRINCAS:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSTRINCAS:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSMICROESTRUTURA
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOSMICROESTRUTURA
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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 onúmero de lacunas em um material metálico? Justifique sua resposta.4- Como os defeitos cristalinos podem ser classificados, cite exemplo dosdefeitos.5- Por que os defeitos são importantes na determinação de algumaspropriedades físicas e mecânicas? Cite alguns exemplos.6- Qual a influência das discordâncias nas propriedades mecânicas dosmateriais?7- Como o tamanho de grão interfere nas propriedades mecânicas dosmateriais? Explique sua resposta.8- Como é possível o estudo das diferentes microestruturas dos materiais?Explique como as imagens são obtidas.
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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 googleapps: CTM
Referências
1- Aulas profa. Eleani Maria da Costa – PUCRS;2- Introdução à Ciência dos Materiais para
Engenharia, alulas Prof. Dr. Antônio Carlos VieiraCoelho, Escola Politécnica da USP;3- Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia. Ed.Hemus. São Paulo. 1997;4- Van Vlack, L. H., Princípios de Ciência dosMateriais. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1970;
5- Callister, Jr, W. D., Ciência e Engenharia deMateriais: Uma introdução, Ed. LTC, 5ed., Rio deJaneiro, RJ, 2002.
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