Imperfeições em Sólidos Sólidos não são perfeitos em sua microestrutura: muitas propriedades...
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Imperfeições em SólidosImperfeições em Sólidos
• Sólidos não são perfeitos em sua microestrutura:
muitas propriedades estão relacionadas com estes defeitos;
freqüentemente defeitos são induzidos propositalmente nos materiais.
• Defeito cristalino:
Uma irregularidade na rede cristalina da ordem de um diâmetro atômico em uma ou mais de suas dimensões.
• Classificação dos defeitos cristalinos em função da dimensão em que ocorrem:
Defeito pontual ( 0 – D)
Discordâncias ( 1 – D)
Defeitos interfaciais ou de fronteira (2 – D)
Defeitos em volume (3 – D)
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Defeitos PontuaisDefeitos Pontuais
Vazios e Intersticiais
Vazios
Intersticiais
Substitucionais
• Vazios: sítios atômicos vagos na estrutura cristalina
• Intersticiais: átomos extras ocupando posições entre os sítios atômicos
• Substitucionais: átomos de elementos “estranhos” inseridos na rede cristalina
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kT
QNN v
v exp
Defeitos PontuaisDefeitos Pontuais
Defeito de Frenkel: Auto-intersticial (átomo ou íon) criando uma vacância na rede.
Átomo/íon em uma posição intersticial
Vacância
O número de equilíbrio de vazios no sistema é função da temperatura:
Nv = Número de vazios
N = Número de posições atômicas
Qv = Energia de ativação
T = Temperatura absoluta em kelvins
k = Constante de Boltzman
1,38x10-23 J/átomo.K
8,62x10-5 ev/átomo.K
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• Há sempre impurezas em cristais metálicos e que podem ser vistos como defeitos pontuais.
• Ligas:
Átomos de impurezas são adicionados intencionalmente a uma estrutura cristalina formada por outro átomo para gerara propriedades específicas aos materiais.
• Adição de impurezas :
solução sólida
formação de 2a fase
• Elementos em uma liga:
Solvente : elemento ou composto presente em maior quantidade
Soluto: elemento ou composto presente em menor quantidade
Fase: porção homogênea de um material com características físicas e químicas uniformes.
Defeitos Pontuais : Impurezas em SólidosDefeitos Pontuais : Impurezas em Sólidos
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Defeitos Pontuais : Solução SólidaDefeitos Pontuais : Solução Sólida
• Dois ou mais elementos dispersos em uma única fase.
2 tipos: substitucional ou intersticial
• Substitucional: átomos do solvente substituídos por átomos do soluto no reticulado;
a estrutura do solvente não muda, mas se deforma;
• Intersticial: os átomos do soluto “espremem-se” nos vazios (interstícios) da rede cristalina do solvente;
ocorre quando a diferença de tamanho entre soluto e solvente é grande;
a máxima solubilidade é menor que 10 %
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Defeitos Pontuais : Defeito de SchottkyDefeitos Pontuais : Defeito de Schottky
Cristal covalente: vacância Cristal iônico: par de vacâncias
Ns = Número de vazios
N = Número de posições atômicas
Qs = Energia de ativação
T = Temperatura absoluta em kelvins
k = Constante de Boltzman
1,38x10-23 J/átomo.K
8,62x10-5 ev/átomo.K
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Defeitos Pontuais : Condição de EletroneutralidadeDefeitos Pontuais : Condição de Eletroneutralidade
A compensação de carga leva à formação de vazios.
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• % Peso: útil quando se trabalha com soluções
• % Atômica: útil quando se estuda o material no nível atômico
m1 : massa do elemento 1
A1 : massa atômica do elemento 1
n1 : número de moles do elemento 1
10021
11
mm
mC
10021
1'1
mm
m
nn
nC
1
11 A
mnm
Concentrações - ComposiçãoConcentrações - Composição
• Conversão: % peso % atômica % atômica % massa
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Defeitos em Linha : DiscordânciasDefeitos em Linha : Discordâncias
• Definição
Defeito em uma dimensão ao redor do qual alguns átomos encontram-se desalinhados;
Translação incompleta de uma das partes da rede em relação às outras.
• Classificação
Discordância em aresta
Discordância em espiral
Discordância combinada
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Defeitos em Linha : DiscordânciasDefeitos em Linha : Discordâncias
Discordância de aresta: o movimento da linha de discordância é paralelo ao da força de cisalhamento
Discordância em espiral: o movimento da linha de discordância é perpendicular ao da força de cisalhamento
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Discordância de ArestaDiscordância de Aresta
(a) (b)
a) Um cristal perfeito;
b) Um plano extra é inserido no cristal (a);
c) O vetor de burgers b equivale à distância necessária para fechar o contorno formado pelo mesmo número de átomos ao redor da discordância de aresta.
(c)
Discordância de aresta
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Discordâncias: O Vetor de BurgersDiscordâncias: O Vetor de Burgers
Vetor de Burgers
Linha da
discordância
de aresta
O vetor de Burgers b é perpendicular à linha de discordância em uma discordância de aresta.
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Discordância em EspiralDiscordância em Espiral
(a) (b) (c)
Linha de discordânci
a
Vetor de Burgers b
a) Um cristal perfeito;
b) e c) Deslocamento de uma secção transversal da ordem de um espaçamento atômico.
O vetor de Burgers b é paralelo à linha de discordância em uma discordância em espiral.
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Discordância em EspiralDiscordância em Espiral
Discordância em espiral como resultado de um cisalhamento parcial
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Discordância CombinadaDiscordância Combinada
Discordâncias de aresta ou em espiral raramente ocorrem separadamente.
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Movimento de DiscordânciasMovimento de Discordâncias
Tensão de cisalhamento
Plano extra de átomos
Linha de discordância
Plano de deslizamento Vetor de Burgers
O movimento de discordâncias provocam deslizamentos, que resultam em deformações permanentes (plásticas) no material.
Monocristal de Zn sob tração
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Discordâncias : Esforços EnvolvidosDiscordâncias : Esforços Envolvidos
Regiões de tração e compressão ao redor da discordância
Interação entre discordâncias
Repulsão
Atração e aniquilamen
to
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Defeitos InterfaciaisDefeitos Interfaciais
• Superfícies Externas:
Átomos na superfície não têm todas suas ligações satisfeitas e possuem maior energia livre que os átomos sob a superfícies;
Área da superfície tende a minimizar;
A superfície dos sólidos podem se “reconstruir” para satisfazer as ligações atômicas dos seus átomos.
Átomos insaturado
s
Superfície com energia livre
Material cristalino
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Defeitos Interfaciais: Contornos de GrãoDefeitos Interfaciais: Contornos de Grão
• Contornos de Grão:
Materiais policristalinos são formados por muitos cristais ou grãos, que têm diferentes direções cristalográficas;
Nas regiões onde estes grãos se encontram ocorre um desordenamento atômico. Elas são chamadas de contorno de grão;
Os átomos próximos à fronteira dos 3 grãos não têm um espaçamento uniforme ou ordenamento. Microestrutura do Pd
(100x)
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Contornos de GrãoContornos de Grão
• Ângulos de desalinhamento:
Em função do desalinhamento dos planos atômicos entre os grãos adjacentes, pode-se distinguir os contornos de grão de baixo e alto ângulo.
Ângulo de desalinhamento
Ângulo de desalinhament
o
Alto ângulo
Baixo ângulo
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Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)
Uma macla separa duas regiões cristalinas que são, estruturalmente, imagens espelhadas uma da outra.
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Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)
• Maclas podem ser causadas por deformações do material, causadas por tensões térmicas ou mecânicas;
• Ligas com memória de forma:
Esse defeito é observado em materiais com memória de forma, que podem recuperar sua forma original quando expostos a uma fonte de calor;
As maclas desaparecem quando estes materiais são deformados e ressurgem quando são aquecidos a altas temperaturas, recuperando sua forma original.
Microscopia de maclas em grão de bronze
(a)
(b)
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Defeitos Interfaciais: Falha de EmpacotamentoDefeitos Interfaciais: Falha de Empacotamento
Corresponde a interrupção de uma seqüência regular de empacotamento de planos em uma rede cristalina
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Defeitos em VolumeDefeitos em Volume
• Podem ser classificados como poros, fraturas ou inclusões:
• Poros: podem modificar substancialmente as propriedades ópticas, mecânicas e térmicas de um material;
• Fraturas: podem afetar as propriedades mecânicas do material;
• Inclusões: podem modificar substancialmente as propriedades elétricas, mecânicas e ópticas de um material;
poros
Fases secundáriasInclusões
Heterogeneidade(materiais multifásicos)
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Exames MicroscópicosExames Microscópicos
• Microscopia Microscopia óptica Microscopia eletrônica de varredura Microscopia eletrônica de
transmissão
• Microestrutura Tamanho de grão Forma
Microscopia óptica
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Microscopia ÓpticaMicroscopia Óptica
• Determinação de tamanho de grão
Tome uma micrografia de uma amostras polida, ampliada 100 X;
N = 2 n-1
n = 1 + ln (N)/ln (2)
Onde:
N = número de grãos por polegada quadrada
n = tamanho de grão • Determinação superfície de contorno de grão por unidade de volume
traça-se um círculo aleatoriamente
Contam-se as intersecções
Sv = 2 PL,
PL = número de pontos de intersecção
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Exames MicroscópicosExames Microscópicos
Microscopia Eletrônica (SEM)
Microscopia eletrônica de rocha lunar
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Exames MicroscópicosExames Microscópicos
Microscopia Eletrônica (TEM)
Microscopia eletrônica de transmissão de um cristal de níquel
Discordâncias