Imperfeições cristalinas

1. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOSECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICAINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS JOINVILLE Imperfeições cristalinas No material cristalino não existe uma ordem atômica perfeita As imperfeições existentes no material influenciam suas propriedades

2. A adição de impurezas em um metal puro pode melhorar suas propriedades • Exemplos: A prata pura adquire maior dureza e resistência mecânica se lhe for adicionado cobre (7,5% em peso) Em um semicondutor são adicionadas pequenas concentrações de átomos de “impurezas” para controle de propriedades elétricas.

3. defeito cristalino : irregularidade na rede cristalina com uma ou mais de suas dimensões na ordem de um diâmetro atômico.

4. Defeitos pontuais

5. Metal puro ? Refino de um metal 99,9999 % (possui átomos de impurezas da ordem de 1022 a 1023 átomos/m3 ).

6. Os metais mais conhecidos são ligas devido ao aumento da resistência mecânica e resistência à corrosão. Ex. prata de lei, aço inoxidável. ADIÇÃO DE ÁTOMOSSOLUÇÃO SÓLIDA E/OU COMPOSTO DEPENDENDO DE IMPUREZAS • tipos de impurezas • concentrações • temperaturas

7. Na solução sólida os átomos de soluto são adicionados e a estrutura cristalina do elemento hospedeiro (solvente) é mantida. A composição é homogênea em todo o volume do material, ou seja, os átomos estão distribuídos uniformemente no interior do sólido

8. Assim ocorre também com uma solução líquida, por exemplo na solução água + álcool, que é formada por uma mistura de moléculas que têm composição homogênea em toda a sua extensão.

9. Solução sólida substitucional: átomos de solutos substituem os átomos hospedeiros. Ex. Níquel em Cobre

10. REGRAS DE SOLUBILIDADE SÓLIDA: Será maior o grau de solubilidade (ou o grau de dissolução do soluto no solvente) se: a diferença dos raios atômicos do sovente e do soluto não ultrapassar ~ 15%; 2) a estrutura cirstalina for a mesma; 3) a eletronegatividade for próxima; 4) forem iguais os fatores acima, um sovente dissolverá maior quantidade do soluto que tiver maior valência.

11. Solução sólida intersticial : átomos de impureza nos interstícios que existem entre átomos hospedeiros (concentração < 10 %). O diâmetro atômico do soluto deve ser muito menor do que o do solvente. Ex. Carbono no ferro.

12. Defeitos lineares – discordâncias • A discordância é o defeito gerado pelo deslocamento de uma linha de átomos de suas posições de equilíbrio na rede cristalina, em torno da qual existe uma distorção na rede.

13. Discordância aresta : quando existe um plano extra de átomos na rede, ficando definida um linha de átomos na extremidade deste plano.

14. Discordânica espiral: cisalhamento de planos cristalográficos que produz o deslocamento de uma distância atômica de plano de átomos superior em relação ao plano de átomos inferior. A distorção ocorre ao longo de uma linha de deslocamento atômico.

16. Discordância mista : a maioria das discordâncias encontradas em materiais cristalinos não é puramente aresta ou espiral, mas uma combinação de ambas.

18. Defeitos planares (interfaciais) : superfícies externas, contornos de grãos, contornos de macla, contornos de fase, falha de empilhamento.Estes defeitos são bidimensionais e separam os constituintes dos materiais que têm diferentes orientações cristalográficas e/ou diferentes estruturas cristalinas.

19. Superfícies externas : são contornos do material onde termina a estrutura do cristal. Os átomos de superfície possuem maior energia em relação aos átomos internos, por não estarem ligados a um máximo de átomos vizinhos.

20. Contornos de grão : os materiais policristalinos são formados por infinidades de grãos ou cristais com diferentes orientações cristalográficas que são separados pelos contornos bidimensionais. Este contorno possui a dimensão de poucas distâncias interatômicas, possuindo desncontros atômicos na região da rede entre as diferentes orientações cristalográficas de grãos adjacentes.

21. Os contornos de grão são arranjos de discordâncias e, portanto, é uma região de maior energia em relação ao interior do cristal. Existem contornos de grão de baixo e alto ângulo, dependendo da orientação cristalográfica dos grãos adjacentes.

22. Formação dos grãos cristalinos

24. Palhetas de turbinas Material PolicristalinoMaterial Policristalino Monocristal Grãos em colunas Fundição convencional Solidificação direcional Solidificação direcional

25. O processo de solidificação direcional consiste em solidificar uma amostra na forma de uma barra e inicialmente no estado líquido, a partir de uma das extremidades, como mostra a figura. Efetuando esta operação com velocidades extremamente baixas (1cm/h) e assim, tendo controle sobre a direção e taxa de resfriamento do líquido, é possível obter um sólido com alta perfeição cristalina. (Fonte: Formação e Imperfeições da Estrutura cristalina Prof. Dr. Rubens Caram – FEM Unicamp)

26. Processo Czochralski Processo Bridgman

27. Processo Zonal Flutuante

28. . Forno de fusão a arco para solidificação direcional de materiais de alto ponto de fusãoEsse equipamento permite fundir e solidificar direcionalmente materiais com temperatura de fusão superiores a 2.500oC. (Fonte: FEM/UNICAMP - SP)

29. Dispositivo de solidificação unidirecional ascendente: Vista em corte

30. Representação esquemática do corte longitudinal

31. Contornos de macla: tipo especial de contorno de grão por meio do qual existe simetria em espelho da rede cristalina. As maclas podem ser produzidas por deformação (metais CCC e HC) ou por recozimento (metais CFC).