ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

PMT 2100 -IntroduçãoàCiênciadosMateriais para Engenharia

2ºSemestrede 2005

2 Defeitos Cristalinos

•Apresentar os principais tipos de defeitos cristalinos dos materiais de engenharia.

• Defeitos puntiformes. • Impurezas.

•Soluções sólidas. •Defeitos de linha.

• Defeitos bidimensionais.

•Observação da Microestrutura

Objetivo Roteiro

3 Defeitos Cristalinos

•Defeito cristalino: imperfeição do reticulado cristalino

•Defeitos puntiformes(associados com uma ou duas posições atômicas): lacunas e átomos intersticiais.

•Defeitos de linha(defeitos unidimensionais): discordâncias

•Defeitos bidimensionais(fronteiras entre duas regiões com diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações cristalográficas): contornos de grão, interfaces, superfícies livres, contornos de macla, defeitos de empilhamento.

•Defeitos volumétricos(defeitos tridimensionais): poros, trincas e inclusões.

4Defeitos puntiformes : Lacunas e Auto-Intersticiais

•Lacuna(“vacancy”): ausência de um átomo em um ponto do reticulado cristalino.

•Podem ser formadas durante a solidificação ou como resultado de vibrações atômicas. •Existe uma concentração de equilíbrio de lacunas.

Q N L exp

onde: N ”número total de posições atômicas

NL ”número de lacunas

QL ”energia de ativação para formação de lacunas k ”constante de Boltzmann

T ”temperatura absoluta

•Auto-intersticial: é um átomo que ocupa um interstício da estrutura cristalina.

•Os defeitos auto-intersticiais causam uma grande distorção do reticulado cristalino a sua volta.

Representação de uma lacuna e de um defeito auto-intersticial

Defeitos puntiformes : Lacunas e Auto-Intersticiais

lacuna auto-intersticial

6 Impurezas

•É impossível existir um metal consistindo de um só tipo de átomo (metal puro).

•As técnicas de refino atualmente disponíveis permitem obter metais com um grau de pureza no máximo de 9,99%.

Representação de átomos de impurezas substitucionaise intersticiais

substitucional intersticial

7Soluções Sólidas

•As ligas são obtidas através da adição de elementos de liga (átomos diferentes do metal-base). Esses átomos adicionados intencionalmente podem ficar em solução sólidae/ou fazer parte de uma segunda fase.

•Em uma liga, o elemento presente em menor concentração denomina-se solutoe aquele em maior quantidade, solvente.

•Solução sólida: ocorre quando a adição de átomos do soluto não modifica a estrutura cristalina nem provoca a formação de novas estruturas. •Solução sólidasubstitucional: os átomos de soluto substituem uma parte dos átomos de solvente no reticulado. •Solução sólida intersticial: os átomos de soluto ocupam os interstícios existentes no reticulado.

8Especificação da composição de uma liga •Concentração em massa (porcentagem em massa):

A A m m C

onde mé a massa (ou peso) dos elementos •Concentração atômica (porcentagem atômica, %-at.):

onde NAe NBsão os números de moles dos elementos A e B.

Aat A N

9Defeitos puntiformes em sólidos iônicos

•A neutralidade elétricatende a ser respeitada.

•Defeito de Schottky: lacuna aniônica + lacuna catiônica •Defeito de Frenkel: cátion intersticial + lacuna catiônica

10Defeitos puntiformes em sólidos iônicos

Não-estequiometria Impurezas

•Exemplos de aplicação

–Resistências de fornos elétricos (condutividade elétrica de cerâmicas em alta temperatura).

–Sensores de gases.

–Materiais com propriedades magnéticas interessantes.

1 DEFEITOS DE LINHA : Discordância em Cunha

Arranjo dos átomos em torno de uma discordância em cunha(“edge dislocation”)

Discordância em hélice (“screw dislocation”)

Arranjo dos átomos em torno de uma discordância em hélice

DEFEITOS DE LINHA : Discordância em Hélice

•A magnitude e a direção da distorção do reticulado associada a uma discordância podem ser expressas em termos do vetor deBurgers, b.

•O vetor deBurgerspode ser determinado por meio do circuito deBurgers.

Defeitos de Linha

Circuito de Burgers

Discordância em Cunha

Circuito de Burgers Discordância em Hélice

14Defeitos de Linha

•A linha de discordância delimita as regiões cisalhadae não cisalhada. •Uma discordância não pode terminar no interior de um cristal.

Linha de Discordância e Plano de Escorregamento

Microscopia eletrônica de transmissão de uma lâmina fina de uma liga metálica contendo discordâncias

Microscopia óptica de uma liga de cobre. Observam-se pites de corrosão, nos locais onde as discordâncias interceptam a superfície

Defeitos de Linha

•Interface: contorno entre duas fases diferentes.

•Contornos de Grão: contornos entre dois cristais sólidos da mesma fase.

•Superfície Externa: superfície entre o cristal e o meio que o circunda

•Contorno de Macla: tipo especial de contorno de grão que separa duas regiões com uma simetria tipo ”espelho”.

•Falhas de Empilhamento: ocorre nos materiais quando há uma

seqüência ABCABCABCdos planos compactos dos cristais CFC.

interrupção na seqüência de empilhamento, por exemplo na Defeitos Bidimensionais

•Quando odesalinhamentoentre os grãos vizinhos é grande (maior que ~15o), o contorno formado é chamado contorno de grão de alto ângulo.

•Se odesalinhamentoé pequeno (em geral, menor que 5o), o contorno é chamado contorno de pequeno ângulo, e as regiões que tem essas pequenas diferenças de orientação são chamadas de subgrãos.

Defeitos Bidimensionais : Contorno de Grão

Contorno de pequeno ângulo resultante do alinhamento de discordâncias em cunha

Contorno de grão

Contorno de sub-grão

18 Defeitos Bidimensionais : Contornos deMacla

•Amaclaé um tipo de defeito cristalino que pode ocorrer durante a solidificação, deformação plástica, recristalização ou crescimento de grão.

•Tipos demacla:maclasde recozimentoe maclasde deformação.

•Amaclaçãoocorre em um plano cristalográfico determinado segundo uma direção cristalográfica específica. Tal conjunto plano/direção depende do tipo de estrutura cristalina.

Contorno de macla

Maclação mecânica em metais CFC

19•Outros defeitos bidimensionais são possíveis: –Falhas de empilhamento(encontradas em metais CFC)

Defeitos em Volume

•Além dos defeitos apresentados nas transparências anteriores, os materiais podem apresentar outros tipos de defeitos, que se apresentam em escalas muito maiores.

•Esses defeitos normalmente são introduzidos nos processos de fabricação, e podem afetar fortemente as propriedades dos produtos.

•Exemplos: inclusões, poros, trincas, precipitados.

20Observação Microestrutural

•Observação estrutural: macroestrutura e microestrutura.

•Observação da macroestrutura: a olho nu ou com baixos aumentos (até ~10X).

•Observação da microestrutura: microscopia óptica e microscopia eletrônica.

Macroestrutura de um lingote de chumbo apresentando os diferentes grãos.

21Observação Microestrutural (microscopia óptica)

(a) e (b) Formação do contraste entre grãos.

(c) Micrografia óptica de um latão (Cu-Zn) policristalino. Aumento: 60X.

(a) e (b) Formação da imagem dos contornos de grão. (c) Micrografia óptica de uma liga Fe-Cr. Aumento: 100X.

(a) (b)

(c)

(a) (b)

(c)

–Capítulo 4 : completo –Capítulo 7 : Maclas, item 7.7 .

–Capítulo 13: Defeitos em sólidos iônicos, item 13.5 .

•Outras referências importantes

–Padilha, A.F. –Materiais de Engenharia.Hemus. São Paulo. 1997. •Capítulos 9 e 10.

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