Aula 04 Imperfeição Nos Sólidos

Ciência dos Materiais

Imperfeição nos cristais

Os cristais descritos até agora são todos ideais ou seja, não possuem defeitos.

•Os cristais reais apresentam inúmeros defeitos, que são classificados por sua

“dimensionalidade”.

�Defeitos Pontuais (dimensão zero)

�Vacâncias

� Impurezas intersticiais e substitucionais

�Defeitos Lineares (dimensão um)

�Discordâncias (dislocations)

�Defeitos Planares (dimensão dois)

� Interfaces e fronteiras de grão

�Defeitos Volumétricos (dimensão três)

�Vazios, fraturas, inclusões e outras fases



Defeitos pontuais

Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal real estão sempre vibrando.

•Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a chance de átomos

sairem de suas posições, deixando um vazio (vacância) em seu lugar.

•Por outro lado, dentro da rede cristalina existem inúmeros interstícios, espaços vazios

entre os átomos, nos quais é possível alojar outros átomos.

•Finalmente, é praticamente impossível obter um material infinitamente puro. Sempre

haverá impurezas presentes na rede cristalina.



Defeitos pontuais



Defeitos pontuais

Para formar defeitos é necessário dispor de energia.

•Normalmente esta energia é dada na forma de energia térmica. Isto quer dizer que

quanto maior a temperatura, maior será a concentração de defeitos.

•Para muitos tipos de defeitos vale o seguinte:



Defeitos pontuais

Exemplo:

Calcule a concentração de vacâncias em cobre a 200ºC e a 1080ºC (Tf = 1084ºC).

Dados: QD = 0.9 eV/atom (1 elétron-volt = 1.6 x 10-19 J)

k = 8.62 x 10-5 eV/atom-K

Resposta: 0,445x10-³



Defeitos pontuais

Comportamento dos defeitos em função da temperatura, bem como a maneira para

encontrar a energia de ativação para um defeito.



Defeitos pontuais - impurezas

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

� Interstícios - espaços vazios na rede – impureza intersticial � Substituindo um átomo do material – impureza substitucional

impureza intersticial - um exemplo fundamental

� Carbono em a-Ferro (aço)




A presença de impurezas substitucionais gera uma mistura entre os átomos das

impurezas e os do material, gerando uma solução sólida.

Com relação às ligas, é comum usar os termos

soluto e solvente.

• Solvente: representa o elemento ou composto

que está presente em maior quantidade

(também chamados de átomos hospedeiros);

• Soluto: representa um elemento ou composto

que está presente em menor concentração.




Para que haja total miscibilidade entre dois metais, é preciso que eles satisfaçam as

seguintes condições:

Regras de Hume-Rothery

� Seus raios atômicos não difiram de mais de 15%;

� Tenham a mesma estrutura cristalina;

� Tenham eletronegatividades similares;

� Tenham a mesma valência.




Exemplo:

Exemplo: O latão (liga constituída de cobre e zinco) é uma solução sólida de que tipo?

� Item 1: Fator do tamanho atômico

RCu = 0,1278 nm e RZn = 0,1332 nm.

Solvente: Cobre e Soluto: Zinco.

Limite inferior = RCu – 0,15. Rcu.

Limite inferior = 0,1086 nm.

Limite superior = RCu + 0,15. RCu

• Limite superior = 0,1469 nm

• Intervalo: 0,1086 a 0,1469 nm

• Raio do zinco: 0,1332 nm

� Item 2: Estruturas cristalinas

Estrutura do Cu = CFC

Estrutura do Zn = HC

• CFC ® número de coordenação =

12 e FEA = 0,74

• HC ® número de coordenação =

12 e FEA = 0,74




Exemplo:

Exemplo: O latão (liga constituída de cobre e zinco) é uma solução sólida de que tipo?

� Item 3:

Cu ®Família 1B; linha 4

(Eletronegatividade = 1,9)

Zn ® Família 2B, linha 4

(Eletronegatividade = 1,65)

Ambos eletropositivos (ok!)

� Item 4:

Valência mais comum Cu = +1

Valência mais comum Zn = +2



Defeitos lineares

O tipo mais comum de defeito de linha no interior de um cristal é uma discordância

(dislocation).

As discordâncias podem ser:� Em cunha (aresta);�Helicoidal (espiral);�Mista.



Defeitos lineares – discordância em aresta

Discordâncias em cunha (aresta): São descritas como a aresta de um plano atômico

extra na estrutura cristalina. Zonas de compressão e de tração acompanham uma

discordância em cunha, de forma que há um aumento de energia ao longo da

discordância.

A distância de deslocamento dos

átomos em torno da

discordância é denominada vetor de burgers, e

é perpendicular à linha da discordância em

cunha.



Defeitos lineares – discordância em aresta

Discordâncias helicoidais (espirais): tem seu deslocamento (vetor de burgers) paralelo

ao defeito de linha.

•Tensões de cisalhamento estão associadas aos átomos adjacentes.

• Assim como nas discordâncias em cunha, também temos um aumento de energia



Defeitos planar – contornos de grãos

Um material poli-cristalino é formado por muitos mono-cristais em orientações

diferentes.

• A fronteira entre os monocristais é uma parede, que corresponde a um defeito bi-

dimensional



Defeitos planar – contornos de grãos

Quando o ângulo de rotação é pequeno.

Menor que 15°, considera-se contorno de

baixo ângulo.



Defeitos planar – contornos de grãos MACLA

Fronteira de alta simetria onde um grão é o espelho do outro.



Defeitos volumétricos

Existem outros defeitos presentes em todos os materiais sólidos que são muito

maiores do que todos aqueles que foram discutidos até agora.

• Estes defeitos são os poros, trincas, inclusões exógenas e outras fases.

• São normalmente introduzidos durante as etapas de processamento e fabricação.

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