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1- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

ASSUNTO. 1- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS. - Defeitos pontuais - Defeitos de linha (discordâncias) - Defeitos de interface (grão e maclas) - Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados). O QUE É UM DEFEITO?.

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1- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

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  1. ASSUNTO 1- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS - Defeitos pontuais -Defeitos de linha (discordâncias) -Defeitos de interface (grão e maclas) -Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)

  2. O QUE É UM DEFEITO? É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico 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 do material, do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais o material foi processado.

  3. IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS • Apenas uma pequena fração dos sítios (ou posições) atômicos são imperfeitos Menos de 1 em 1 milhão • Menos sendo poucos eles influenciam muito as propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa

  4. DEFEITOS INTRODUÇÃO SELETIVA CONTROLE DO NÚMERO ARRANJO Permitedesenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS- IMPORTÂNCIA-

  5. IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAISExemplos de efeitos da presença de imperfeições • O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material • A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que gera um aumento na resistência (processo conhecido como encruamento) • Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente 270MPa.

  6. IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS • São classificados de acordo com sua geometria ou dimensões

  7. IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS • Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas • Defeitos lineares uma dimensão • Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimensões • Defeitos volumétricos três dimensões

  8. 1- DEFEITOS PONTUAIS • Vacâncias ou vazios • Átomos Intersticiais • Schottky • Frenkel Ocorrem em sólidos iônicos

  9. 1- DEFEITOS PONTUAIS • influem principalmente as propriedades ópticas e elétricas dos materiais; • influem em processos como difusão, transformação de fases, fluência, etc… • Átomos de soluto geram defeitos ponstuais

  10. Envolve a falta de um átomo São formados durante a solidificação do material cristalino ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais) A energia livre do material depende do número ou concentração de vacâncias presentes VACÂNCIAS OU VAZIOS

  11. VACÂNCIAS OU VAZIOS EM EQUILÍBRIO • O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura Nv= N exp (-Qv/KT) Nv= número de vacâncias N= número total de sítios atômicos Qv= energia requerida para formação de vacâncias K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K

  12. Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal) Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância INTERSTICIAIS

  13. INTERSTICIAIS devido a adição de soluto Átomo intersticial grande Gera maior distorção na rede Átomo intersticial pequeno

  14. Ocorre em sólidos iônicos Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício FRENKEL

  15. Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion SCHOTTKY

  16. CONSIDERAÇÕES GERAIS • Vazios e Schottky favorecem a difusão • Estruturas de empacotamento fechado tem um menor número intersticiais e Frenkel que de vazios e Schottky Porque é necessária energia adicional para forçar os átomos para novas posições

  17. IMPUREZAS NOS SÓLIDOS • Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes 99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3 • A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais

  18. LIGAS METÁLICAS • Algumas impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade: • aumentar a resistência mecânica • aumentar a resistência à corrosão • Aumentar a condutividade elétrica • Etc.

  19. A ADIÇÃO DE ELEMENTOS DE LIGA PODE FORMAR • Soluções sólidas % elemento < limite de solubilidade • Segunda fase % elemento > limite de solubilidade A solubilidade depende : • Temperatura • Tipo de elemento (ou impureza) • Concentração do elemento (ou impureza)

  20. Termos usados • Elemento de liga ou Impureza soluto (< quantidade) • Matriz ou solvente Hospedeiro (>quantidade)

  21. SOLUÇÕES SÓLIDAS • A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantida

  22. SOLUÇÕES SÓLIDAS • Nas soluções sólidas as impurezas ou elementos de liga podem ser do tipo: - Intersticial - Substitucional Ordenada Desordenada

  23. INTERSTICIAL SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS • Os átomos de impurezas ou os elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios • Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro • Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas • Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios

  24. EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL • Fe + C solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a 910 C (Fe CFC) O C tem raio atômico bastante pequeno se comparado com o Fe rC= 0,071 nm= 0,71 A rFe= 0,124 nm= 1,24 A

  25. INTERSTICIAIS NA CCC E CFC • Nessas estruturas existem 2 tipos de intersticiais, um sítio menor e um maior • A impureza geralmente ocupa o sítio maior

  26. INTERSTICIAIS NA CFC • Existem 13 posições intersticiais (octaedros- formados por 6 átomos) e 8 posições intersticiais (tetraedros formados por 4 átomos)= 21 • O Sítio maior é o octaédrico

  27. 12 localizado no centro das arestas (½, 0,0) INTERSTICIAIS (octaedros) NA CFC • Existem 13 posições intersticiais (octaedros) 1 Centro do octaedro de coordenadas (½, ½, ½)

  28. INTERSTICIAIS (tetraedros) NA CFC • Existem 8 posições intersticiais (tetraedros) 1 Centro do tetraedro de coordenadas (1/4, 1/4, 1/4)

  29. Calcule o raio da impureza que se ajusta perfeitamente no sítio intersticial maior (octaédrico) para a estrutura cfc r= 0,41R

  30. INTERSTICIAIS NA CCC • Existem 18 posições intersticiais (octaedros) e 24 posições intersticiais (tetraedros)= 42 • O Sítio maior é o tetraédrico

  31. 12 Centro de arestas (½, 0,0) INTERSTICIAIS (octaedro) NA CCC • Existem 18 posições • intersticiais (octaedro) 6 Centro das faces posições (½, ½, 0)

  32. INTERSTICIAIS (tetraedros) NA CCC • Existem 24 posições intersticiais (tetraedros) 4 tetraedros Para cada uma das seis faces (1/2, 1/4, 0)

  33. Calcule o raio da impureza que se ajusta perfeitamente no sítio maior (tetraédrico) para a estrutura ccc r= 0,29R

  34. Carbono intersticial no Ferro • O carbono é mais solúvel no Ferro CCC ou CFC, considerando a temperatura próxima da transformação alotrópica? ccc cfc

  35. ccc Carbono intersticial no Ferro ccc-ferrita • Na ferrita os espaços intersticiais são menores rFe= 0,124 nm rC= 0,071 nm Espaço intersticial octraédrico= 0,019 nm  - 0,052 nm rFe= 0,124 nm rC= 0,071 nm Espaço intersticial tetraédrico= 0,035 nm  - 0,036 nm

  36. Carbono intersticial no Ferro cfc-austenita cfc rFe= 0,124 nm rC= 0,071 nm Espaço intersticial octraédrico= 0,052 nm  - 0,019 nm

  37. SOLUBILIDADE DO CARBONO NO FERRO • Apesar da célula unitária CCC apresentar diversas posições intersticiais, a solubilidade de carbono no Fe é maior em células CFC, pois as mesmas concentram o espaço vazio da célula, nas posições intersticiais octaédricas.

  38. INTERSTICIAIS NA HC • Existem 6 posições intersticiais (octaedros) e 8 posições intersticiais (tetraedros)= 14 • O Sítio maior é o octaédrico

  39. INTERSTICIAIS (octaedros) NA HC • Existem 6 posições intersticiais (octaedros)

  40. INTERSTICIAIS (tetraedros) NA HC • Existem 8 posições intersticiais (tetraedros)

  41. SOLUÇÕES SÓLIDASSUBSTITUCIONAIS (TIPOS) SUBSTITUCIONAL ORDENADA SUBSTITUCIONAL DESORDENADA

  42. SOLUÇÕES SÓLIDASSUBSTITUCIONAIS • As soluções sólidas substitucionais formam-se mais facilmente quando o elemento de liga (impureza) e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes

  43. FATORES QUE DETERMINAM A FORMAÇÃO DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAISREGRA DE HOME-ROTHERY • Raio atômico deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase • Estrutura cristalina mesma • Eletronegatividade próximas • Valência mesma ou maior que a do hospedeiro

  44. Cu Ni Raio atômico 0,128nm=1,28 A 0,125 nm=1,25A Estrutura CFC CFC Eletronegatividade 1,9 1,8 Valência +1 (as vezes +2) +2 EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTICIONAL • Cu + Nisão solúveis em todas as proporções

  45. 2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS • As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais) • A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais

  46. 2- DEFEITOS LINEARES: DISCORDÂNCIAS • Podem ser: - Cunha - Hélice - Mista

  47. VETOR DE BURGER (b) • Dá a magnitude e a direção de distorção da rede • Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância

  48. Envolve um SEMI-plano extra de átomos O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância Envolve zonas de tração e compressão 2.1- DISCORDÂNCIA EM CUNHA

  49. DISCORDÂNCIAS EM CUNHA Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ

  50. DISCORDÂNCIAS EM CUNHA Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ

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