Aula 06 – Ciências dos Materiais

1. Aula 06 – Ciências dos Materiais Estrutura Cristalinas dos Metais e Defeitos – Parte I* Figuras e estruturas dos defeitos baseadas na aula Profa Eleani Maria da Costa- DEM/PUCRS disponibilizada em rede virtual pública.

2. Fator de Empacotamento para um metal de raio r No de átomos por célula • Cúbico simples: FEA = 4/3πr3 como a=2r FEA=0,52 1 a3 • Cúbico de Corpo Centrado: FEA = 4/3πr3 como a=4r/√3 FEA=0,68 2 • Cúbico de Face Centrada: FEA = 4/3πr3 como a=2r/√2 FEA=0,74 4 a3 a3

3. Cálculo da densidade teórica de um sólido metálico ρ = nPA VCNA Onde: n= número de átomos por célula unitária PA= peso atômico VC= volume da célula unitária NA = número de Avogrado (6,02x1023)

4. Exercícios • Calcule o raio de um átomo de tântalo sabendo que o Ta possui uma estrutura cristalina CCC, uma massa específica (densidade) de 16,6g/cm3 e um peso atômico de 180,9 g/mol.

5. Exercícios • O Nióbio possui um raio atômico de 0,143 nm e uma massa específica de 8,57g/cm3. Determine se ele possui uma estrutura cristalina CFC ou CCC. Peso atômico =92,9g/mol. ρ = nPA VCNA

6. Exercícios • O raio atômico do Pb vale 0,175nm, calcule o volume de sua célula unitária em m3 sabendo que o Pb apresenta estrutura cristalina CFC.

7. Defeitos Cristalinos – o que é um defeito? Devem ser evitados? • - Defeitos pontuais • - Defeitos de linha (discordâncias) • - Defeitos de interface (grão e maclas) • - Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)

8. É uma imperfeição no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. • Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos e no tipo de átomos • O tipo e o número de defeitos dependem: - da constituição química do material - das circunstâncias sob as quais o material é processado.

9. Tipos de Defeitos: classificados de acordo com sua geometria ou dimensões • Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas • Defeitos lineares uma dimensão • Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimensões • Defeitos volumétricos três dimensões

10. DEFEITOS INTRODUÇÃO SELETIVA CONTROLE DO NÚMERO ARRANJO Permitedesenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades Nem sempre é Maléfico

11. Casos Positivos • O processo de dopagem em semicondutores: mudança no tipo de condutividade • A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições: geram um aumento na resistência mecânica (processo encruamento): • Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias): resistência maior que 70GPa ferro comum r 270MPa.

12. Defeitos Pontuais • Vacâncias ou vazios • Átomos Intersticiais Schottky Frenkel Ocorrem em sólidos iônicos

13. Defeitos Pontuais: visão geral

14. Defeitos Pontuais: vacâncias ou lacunas • Envolve a falta de um átomo. • São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais).

15. Defeito Pontual: vacâncias ou vazios • O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura Nv= N exp (-Qv/KT) lacunas/m3 Nv= número de vacâncias N= número total de sítios por unidade de volume Qv= energia requerida para formação de vacâncias K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K N= NAρ PA Onde:NA=no avogrado; ρ= densidade e PA= peso atômico

16. Cálculo de lacunas a uma dada T • Calcule o no de lacunas em equilíbrio por m3 de Cu, a 1000oC. A energia para formação de uma lacuna é de 0,9 eV/atomo. PA: 63,5 g/mol ρ= 8,4 g/cm3 (T=1000oC) NAVOG= 6,02x1023 atomos/mol

17. Defeito Intersticial Átomo intersticial grande Gera maior distorção na rede Átomo intersticial pequeno

18. Defeito Intersticial • 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

19. Defeitos Pontuais

20. Defeitos Pontuais

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

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

23. Superfície metálica: microscópia eletrônica de tunelamento ou microscopia de força atômica Em níveis de monocamadas nem sempre o elemento de liga provoca Aparecimento de de defeitos. Superfície (111) do ouro (estrutura CFC) adição uma monocamada de cobre

24. A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR • Soluções sólidas [átomos] < limite de solubilidade • Segunda fase [átomos] > limite de solubilidade A solubilidade depende : • Temperatura • Tipo de impureza • Concentração da impureza

25. IMPUREZAS NOS SÓLIDOS • As 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.

26. 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

27. Terminologia • Elemento de liga soluto (< quantidade) (ou impureza) • Matriz solvente(>quantidade) (ou hospedeiro)

28. Especificação da Composição • Composição de uma liga em termos de seus elementos constituintes: porcentagem em peso (ou massa)(%p) porcentagem atômica (no átomos) (%a)

29. Exercícios • Uma liga contém 80% em peso de Al e 20% em peso de Mg. Qual a porcentagem atômica de cada um na liga? • Suponha que 20% dos átomos de Cu são substituídos por Al em um bronze de alumínio. Quais porcentagens de peso que estão presentes? PA: Mg- 24,3 g/mol; Al- 26,98 g/mol; Cu- 63,54g/mol Nv= 6,02x1023 atomos/mol