ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamentode EngenhariaMetalúrgicae de Materiais

PMT 2100 -Introduçãoà Ciênciados MateriaisparaEngenharia 2º semestrede 2007

PMT2100 Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia EPUSP -2007

2 Defeitos Cristalinos

• Defeitos puntiformes • Impurezas

•Soluções sólidas •Defeitos de linha

• Defeitos bidimensionais

•Observação da Microestrutura

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

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3 Defeitos Cristalinos

•DEFEITO CRISTALINO: imperfeição do reticulado cristalino.

•Classificação geométricados defeitos cristalinos:

•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.

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4 Defeitos Cristalinos

•Classificação termodinâmicados defeitos cristalinos:

Os defeitos cristalinos também podem ser classificados em:

•DEFEITOS DE EQUILÍBRIO. Exemplos: defeitos puntiformes, tais como lacunas e autointersticiais.

•DEFEITOS DE NÃO EQUILÍBRIO. Exemplos: discordâncias, contornos de grãos, interfaces e superfícies.

No caso dos defeitos de equilíbrio, o aumento de energia internaou de entalpia envolvido na criação do defeito é compensado pelo aumento de entropia e, neste caso, para cada material e temperatura existe uma concentração de equilíbrio do defeito. No caso do defeito denão equilíbrio, esta compensação não é possível.

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5 Defeitos Puntiformes: Lacunas

•LACUNA(“vacancy”): ausência de um átomo em um ponto do reticulado cristalino. •Podem ser formadas durante a deformação plástica ou como resultado de vibrações atômicas. •Existe uma CONCENTRAÇÃO DE EQUILÍBRIOde 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

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•AUTO-INTERSTICIAL: é um átomo da rede (substitucional) que ocupa uma posição que não é uma posição típica da rede.

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

Representação de uma lacuna e de um defeito auto-intersticial lacuna auto-intersticial

Defeitos Puntiformes: Auto-Intersticiais

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7 Impurezas 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

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8Soluções 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 SÓLIDA SUBSTITUCIONAL: os átomos de soluto substituem uma parte dos átomos de solvente no reticulado. Exemplos:latão (Cu eZn), bronze (Cu eSn),monel(Cu e Ni).

•SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL: os átomos de soluto ocupam os interstícios existentes no reticulado. Exemplo: carbono em ferro.

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9Composição de uma Liga

•CONCENTRAÇÃO EM MASSA(ou peso) -porcentagem em massa (ou peso):

CA = mA mA +mB 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.

CAat = NA NA +NB

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10Defeitos Puntiformes em Sólidos Iônicos

•A neutralidade elétricatende a ser respeitada.

•DEFEITO SCHOTTKY: lacuna aniônica + lacuna catiônica •DEFEITO FRENKEL: cátion intersticial + lacuna catiônica

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11Defeitos Puntiformes em Sólidos Iônicos

•Exemplos de aplicação:

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

–Sensores de gases.

–Materiais com propriedades magnéticas interessantes.

Íonsdeferro(Fe) noóxidodeferro podem apresentar dois estadosde oxidação, Fe2+e Fe3+. Isso, aliado à necessidade de se manter a neutralidade elétrica do sólido iônico cristalino,leva à não-estequiometria do óxidodeferro.

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12Defeitos de Linha : Discordância em Cunha (ou Aresta) zona decompressão zona detração

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Arranjo dos átomos em torno de uma discordância em hélice.

Defeitos de Linha : Discordância em Hélice(ou Espiral)

DISCORDÂNCIA EM HÉLICE ("screw dislocation")

Tensõesde cisalhamento estão associadas aos átomos adjacentes àlinha da discordância em hélice.

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•A magnitude e a direção da distorção do reticulado associada a uma discordância podem ser expressas em termos do VETOR DE BURGERS, •O vetor de Burgerspode ser determinado por meio do

CIRCUITO DE BURGERS. •O vetor de Burgersfornece o móduloe a direção do escorregamento; ele éparalelo àdireção do fluxo (ou movimento do material), não sendo necessariamente no mesmo sentido.

Defeitos de Linha

Circuito de Burgers

Discordância em Cunha Circuito de Burgers

Discordância em Hélice r b .

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•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

Defeitos de Linha

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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

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17 Defeitos Bidimensionais

•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”.

•DEFEITOS DE EMPILHAMENTO:ocorre nos materiais quando há uma interrupção na seqüência de empilhamento, por exemplo na seqüência ABCABCABC.... dos planos compactos dos cristais CFC.

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•Quando o desalinhamentoentre os GRÃOSvizinhos é grande (maior que ~15o), o contorno formado é chamado CONTORNO DE GRÃO ou CONTORNO DE ALTO ÂNGULO.

•Se o desalinhamentoé 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. Os contornos de pequeno ângulo podem ser representados por arranjos convenientes de discordâncias.

Contorno de pequeno ângulo resultante do alinhamento de discordâncias em cunha

Contorno de grão

Contorno de subgrão

Defeitos Bidimensionais: Contornos de Grão

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

•Tipos de macla: MACLAS DE RECOIMENTO e MACLAS DE DEFORMAÇÃO.

•A maclaçãoocorre 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

Defeitos Bidimensionais: Contornos de Macla

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20 •DEFEITOS DE EMPILHAMENTOsão encontradas em metais CFC e HC.

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.

Defeitos Bidimensionais: Defeitos de Empilhamento CFC

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21Observação 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.

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

Observação Microestrutural (microscopia óptica)

(b)

(c)

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–Capítulo 4 : completo

–Capítulo 7 : Maclas, item 7.7 . –Capítulo 13: Defeitos em sólidos iônicos, item 13.5 .

•Outras referências importantes

–VanVlack, L. -Princípios de Ciência dos Materiais, 3aed. •Capítulo 4 : itens 4-1 a 4-9

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

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