Apostila de ciencia dos materiais

Apostila de ciencia dos materiais

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Profa. Márcia Rocha 41

Imperfeições Estruturais

Os defeitos cristalinos são imperfeições que ocorrem no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Podem envolver irregularidades na “posição dos átomos” e no “tipo de átomos”.

O tipo e o número de defeitos dependem: Do material

Da “história” de processamento do material.

Do meio ambiente.

Imperfeições cristalinas

Todo Cristal exibe defeitos. A quantidade e o tipo de imperfeições depende da forma que o cristal foi formado. Defeitos modificam o comportamento (mecânico, elétrico, químico, ótico) do material. Através da introdução de defeitos, controlando o número e o arranjo destes, é possível desenvolver novos materiais com as características desejadas. Exemplos:

Dopagem em semicondutores: As imperfeições são criadas para alterar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material. Aumento da resistência por encruamento (aumento da dureza devido a deformação plástica).

Tipos de defeitos Todos os cristais reais apresentam inúmeros defeitos, classificados por sua dimensionalidade.

Defeitos Pontuais: (dimensão “zero”; associados com 1 ou 2 posições atômicas): vacâncias (lacunas); impurezas intersticiais e substitucionais. Defeitos Lineares: (dimensão “um”): Discordâncias (deslocamentos). Defeitos Planares: ou Interfaciais (dimensão “dois”): superfícies externas, interfaces, fronteiras de grão, contornos de macla (tipo de contorno de grão). Defeitos Volumétricos (dimensão “três”): Vazios, fraturas, inclusões e outras fases.

Defeitos pontuais

Em um cristal apenas uma pequena fração dos sítios atômicos é imperfeita. (menos de 1 em 1 milhão). Apesar de poucos, eles influenciam muito nas propriedades dos materiais (nem sempre de forma negativa). Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal real estão sempre vibrando. Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a chance de átomos sair de suas posições, deixando um vazio em seu lugar. Por outro lado, dentro da rede cristalina existem inúmeros interstícios, espaços vazios entre os átomos, nos quais é possível alojar outros átomos. Finalmente, é praticamente impossível obter um material infinitamente puro. Sempre haverá impurezas presentes na rede cristalina.

Quando a deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que geram um aumento da resistência mecânica

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Visualização de Defeitos Pontuais

Defeitos pontuais em metais

Auto-intersticiais Consiste em um átomo da própria rede que ocupa um interstício da estrutura cristalina. Os defeitos autointersticiais causam uma grande distorção do reticulado cristalino a sua volta.

Lacunas Lacuna (“vacancy”): ausência de um átomo em um ponto do reticulado cristalino. Podem ser formadas durante a solidificação do cristal ou como resultado do deslocamento dos átomos de suas posições normais (vibrações atômicas). As lacunas são essenciais em processo de difusão. A quantidade de lacunas aumenta com a temperatura. Pode-se projetar materiais com propriedades “pré-estabelecidas” através da criação e/ou controle desses defeitos.

Impurezas nos metais (substitucional – intersticial) 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%.

Impurezas nos metais - Soluções sólidas

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Soluções sólidas Ligas são combinações de dois ou mais metais num material. Estas combinações podem ser misturas de dois tipos de estruturas cristalinas. Ou em outra alternativa, as ligas podem envolver uma solução sólida. Em uma liga, o elemento presente em menor concentração denomina-se soluto e aquele em maior quantidade, solvente. Na solução sólida a adição de átomos do soluto não modifica a estrutura cristalina nem provoca a formação de novas estruturas.

Solução sólida intersticial: os átomos de soluto ocupam os interstícios existentes no reticulado. Os átomos intersticiais interferem na condutividade elétrica e no movimento dos átomos que formam o retículo. Este movimento restrito torna a liga mais dura e forte do que seria o metal hospedeiro

Exemplo Fe-C ; Fe-H

O carbono dissolvido intersticialmente no Fe α. Embora mais estável que uma configuração substitucional de átomos de C nos sítios da rede do Fe, a estrutura intersticial produz uma considerável tensão localmente à estrutura cristalina do Fe α. O carbono está altamente comprimido nesta posição, o que implica em baixíssima solubilidade, menos de

0,1% de C é solúvel no Fe α.

Solução sólida substitucional: os átomos de soluto substituem uma parte dos átomos de solvente no reticulado. Como existem pequenas diferenças no tamanho e na estrutura eletrônica, os átomos do soluto, em uma liga substitucional, distorcem a forma do retículo e dificultam o fluxo dos elétrons. Como o retículo está distorcido, é mais difícil para um plano de átomos deslizar por cima do outro. Como resultado, embora uma liga substitucional tenha condutividade térmica e elétrica mais baixa que o elemento puro, é mais forte e dura.

Exemplo Cu-Zn ; Cu-Sn.

As regras de Hume-Rothery Para que haja total miscibilidade entre dois metais, é preciso que eles satisfaçam as seguintes condições: Seus raios atômicos não difiram de mais de 15%;

Tenham a mesma estrutura cristalina;

Tenham eletronegatividades similares;

Tenham a mesma valência.

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S. S. Substitucional Exemplos de Ligas: Cu-Ni ; Cu-Au ; K-Rb

Cu Ni Au K Rb Raio atômico [Å] 1,28 1,25 1,4 2,27 2,48 Estrutura cristalina CFC CFC CFC C C Eletromegatividade 1,9 1,8 2,4 0,8 0,8 Valência +1 (+2) +2 +1 +1 +1

Solução sólida – Propriedades mecânicas

Os metais com pureza elevada são quase sempre mais macios e mais fracos do que as ligas compostas pelo mesmo metal de base. O aumento da concentração de impurezas resulta em um conseqüente aumento no limite de escoamento.

Defeitos pontuais em cerâmicas São possíveis tanto lacunas como intersticiais. Como os materiais cerâmicos contêm íons de pelo menos dois tipos diferentes, os defeitos podem ocorrer para cada espécie de íons.

Defeitos Pontuais - Frenkel Envolve uma lacuna de cátion e um par cátion-intersticial. Um cátion deixa sua posição normal e se move para o interior de um sítio intersticial. Não existe mudança global na carga, pois o cátion mantém a mesma carga positiva quando se torna intersticial.

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Defeitos pontuais - Schottky

Consiste em um “par composto por uma lacuna de cátions e uma lacuna de ânions”. Remoção de um cátion e de um ânion do interior do cristal, seguido pela colocação de ambos os íons em uma superfície externa. Presentes principalmente em compostos altamente iônicos (compostos que tem que manter o balanço de cargas). Os íons positivos e negativos apresentam tamanhos semelhantes.

Defeitos em linha

Também chamados de discordâncias são defeitos lineares ou unidimensionais em torno do qual alguns átomos estão desalinhados. As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais). Os defeitos lineares são associados principalmente à deformação mecânica. A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e ruptura dos materiais. Existem dois tipos de principais de discordâncias: Discordância em cunha ou de aresta.

Discordância em hélice ou espiral.

Discordância em Cunha (Aresta)

O defeito ou linha de discordância ocorre ao longo da aresta da linha extra de átomos. O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância. Envolve zonas de tração e compressão

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Discordância em hélice (espiral) Produz distorção na rede. O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância.

A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos. Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo

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Profa. Márcia Rocha 47 das mesmas e formação de discordâncias únicas. Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas. As discordâncias geram vacâncias, influem nos processos de difusão e contribuem para a deformação plástica.

Defeitos de superfície

Cristais apresentam defeitos em duas dimensões, que se estendem ao longo da estrutura, gerando imperfeições de superfície: Superfícies livres

Falhas de empilhamento

Contornos de grão

Superfície livre Superfície externa: é a superfície entre o cristal e o meio que o circunda. Na superfície os átomos não estão completamente ligados ao número máximo de vizinhos mais próximos. Então, o estado de energia dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal. Os materiais tendem a minimizar está energia

seqüência ABCABCABCdos planos compactos dos cristais CFC.

Falhas de empilhamento Ocorre nos materiais quando há uma interrupção na seqüência de empilhamento, por exemplo na

Contornos de grão Contornos entre dois cristais sólidos da mesma fase.

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O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias, pois constitui um obstáculo para a passagem das mesmas. A passagem de uma discordância através do contorno de grão requer energia. A energia interfacial total é menor em materiais com grãos grandes ou grosseiros do que em materiais com grãos mais finos, uma vez que existe menos área de contorno total nos grãos grandes.

Maclas Tipo especial de contorno de grão que separa duas regiões com uma simetria tipo “espelho”. Tal defeito ocorre quando parte da rede cristalina é deformada, de modo que a mesma forme uma imagem especular da parte não deformada. As maclas resultam de deslocamentos atômicos que são produzidos a partir de forças mecânicas de cisalhamento aplicadas (maclas de deformação), e também durante tratamento térmico de recozimento realizado após deformação (maclas de recozimento). Em resumo, maclas podem surgir a partir de tensões térmicas ou mecânicas.

Defeitos de volume Além dos defeitos apresentados anteriormente, 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, fases, precipitados.

Inclusões: Impurezas estranhas. Porosidade: Origina-se devido a presença ou formação de gases.

Fases: Forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado). Precipitados: São aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz.

Exercícios

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interstícios nos materiaisPor que, em um dado material, o número de lacunas é maior que o número de

1)Descreva o que são as impurezas substitucionais, as impurezas intersticiais, as lacunas e os autoauto-interstícios?

2)Dizer se é possível a existência de um defeito de Schottky no K2O. Se isso for possível, descrever sucintamente esse tipo de defeito. Se isso não for possível, então explicar por quê.

3)Diferencie uma liga que seja uma mistura de fases de outra que seja uma solução sólida. 4)Distinga entre soluções sólidas intersticiais e subtitucionais.

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Difusão

Considere uma caixa que possui uma placa central impermeável, na qual em um dos lados temos inicialmente Ar e no outro lado He, ambos em estado gasoso.

O que acontece se retirarmos a placa? Fácil !! Os gases irão se misturar (difusão). Mas se ao invés de gases tivermos sólidos?

O que acontece se retirarmos a placa? Ocorrerá difusão? Depende !!!! Quais são as condições de contorno de nossa caixa?

Conceito de Difusão

Da mesma forma que a corrente elétrica está associada ao transporte de cargas elétricas através de um fio condutor quando este está sujeito a uma diferença de potencial elétrico, a difusão está associada ao transporte de massa que ocorre em um sistema quando nele existe um gradiente de concentração química. Governada por diferentes mecanismos e manifestando-se com magnitudes bastante distintas, a difusão ocorre no interior de sólidos, líquidos e gases. Uma gota de tinta que se dilui na água, é um exemplo de difusão no interior de um líquido. O odor de um perfume que se espalha por uma sala, é um exemplo de difusão no interior de um gás. No interior dos sólidos, a difusão ocorre por movimentação atômica (no caso de metais), de cátions e ânions (no caso de cerâmicas) e de macromoléculas (no caso de polímeros).

Algumas aplicações

Filtros para purificação de gases. Cementação (introdução de carbono em aço pelo processo de difusão).

Modificação superficial de peças.

Dopagem de semicondutores para controlar a condutividade.

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Par de Difusão

O fenômeno da difusão pode ser demonstrado mediante o uso de um Par de Difusão, que é formado quando as superfícies de duas barras de materiais metálicos distintos são colocadas em contato íntimo.

Mecanismo de Difusão

De uma perspectiva atômica, a difusão é a migração passo a passo dos átomos de determinadas posições do reticulado cristalino para outras. Para ocorrer movimentação de átomos no interior do material são necessárias duas condições: 1. deve existir um espaço livre adjacente ao átomo; 2. o átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações atômicas que o une a seus átomos vizinhos e então causar uma distorção no reticulado cristalino durante seu deslocamento. Foram propostos vários mecanismos diferentes para explicar o movimento atômico durante a difusão; deles, dois são dominantes para a difusão em metais, que são a difusão por lacunas (ou difusão substitucional) e a difusão intersticial.

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Difusão por lacunas

Na DIFUSÃO POR LACUNAS um átomo (hospedeiro ou substitucional) se desloca de uma posição normal da rede cristalina para um sítio vago, ou lacuna, adjacente.

A movimentação dos átomos ocorre em uma direção e a das lacunas ocorre na direção contrária. A extensão segundo a qual a difusão por lacunas pode ocorrer é função da concentração de lacunas presente no metal. A concentração de lacunas aumenta com a temperatura.

Tipos de Difusão por Lacuna

Quando átomos hospedeiros se difundem, ocorre o processo de AUTODIFUSÃO e quando átomos de impurezas substitucionais se difundem, ocorre o processo de INTERDIFUSÃO. Autodifução: Ocorre em cristais “puros” quando os átomos de um mesmo metal mudam de posição. Não há variação na concentração. Interdifusão (ou difusão de impurezas): é o processo mais comum, ocorre quando os átomos de um metal se difundem para o interior de um outro. Neste caso há variação na concentração.

Difusão intersticial

Na DIFUSÃO INTERSTICIAL os átomos intersticiais migram para posições intersticiais adjacentes não ocupadas do reticulado.

Em metais e ligas, a difusão intersticial é um mecanismo importante para a difusão de impurezas de raio atômico pequeno em relação aos do hospedeiro. ¾ Exemplos: hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio no aço. Geralmente, a difusão intersticial é muito mais rápida que a difusão por lacunas, pois os átomos intersticiais são menores e então tem maior mobilidade.

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