CIÊNCIA DOS MATERIAIS

Nome: Elton Torres Zanoni

  1. Classifique os defeitos cristalinos e dê características apresentadas em cada categoria.

Os defeitos cristalinos podem ser do tipo pontual, linear, planar e volumétrico.

Defeitos pontuais são quando uma vacância (“buraco”) aparece no meio da rede cristalina. Podem ser tanto vacância como átomos intersticiais, que não estão em sua posição regular, invadindo espaços entre outros átomos. A figura 1ilustra bem um defeito pontual da qual há uma vacância em uma superfície de silício.

Figura 1: micrografia em uma superfície de silício mostrando uma vacância

Outro defeito pontual é do tipo intersticial, em que um átomo está contido nos interstícios de outros átomos.

As vacâncias no meio cristalino surgem devido ao efeito entrópico da termodinâmica, que tende aumentar a aleatoriedade do sistema. Um material não é 100% isento de defeitos e sempre haverá falta de átomos na rede cristalina ou átomos que estarão fora de sua posição regular (CALLISTER, 2014).

Fonte: CALLISTER, 2014

Átomos estranhos, também chamados de impurezas, também são defeitos do tipo pontual. Um material 100% puro é termodinamicamente impossível de obter. Um material com 99,999% de pureza possui de 1022 a 1023 átomos de outra natureza em sua composição. Embora se tratando de defeitos, nem sempre é usado de forma negativa. Impurezas podem aumentar a resistência a corrosão , melhorar propriedade mecânicas – exemplo do aço – e dopagens para aumentar propriedades elétricas.

Quando átomos de outra natureza estão contida em um material, obtém-se uma solução sólida. Como toda solução, existe um percentual em que há a solubilidade total destes átomos. Quando satura, há precipitados formando uma segunda fase.

Para formação de uma solução sólida, o átomo estranho (soluto) deve ter requisitos que combine com as características do átomo solvente. As características são comparadas na regra de Hume-Rothery que diz que o átomo do soluto não deve possuir uma diferença maior que 15% do tamanho em relação ao átomo solvente, ter a mesma estrutura cristalina, eletronegatividade semelhante e valência eletrônica igual ou maior.

Defeitos lineares são conjuntos de átomos ou planos desalinhados. O termo inglês é “dislocations”, que em uma tradução literal é “deslocamentos”, porem no Brasil o usual é chamar de discordâncias. As discordâncias podem ser classificadas em: cunha, hélice e mista (PADILHA, 2000).

Discordâncias em cunha (figura 2) são planos avulsos no meio de dois planos. Provocam perturbações na rede por ocupar um espaço entre os planos de átomos.

Figura 2 – Discordância em cunha

Outro tipo de discordância é o de hélice, que é ocasionada por tensões de cisalhamento. A deformação ocasionada está representada na figura 3. Um plano é deslocado em relação ao plano logo abaixo dele.

Nos materiais geralmente as discordâncias são do tipo mista, ou seja, possuem ambos tipo – já descritas – em um mesmo defeito.

Figura 3 – Discordância em hélice

Os defeitos bidimensionais ou planares, são em geral de superfície. As ligações de superfície externas são incompletas sendo de maior energia. Contornos de grão são estruturas desorganizadas e que átomos também não possuem ligações químicas satisfeitas, sendo também regiões de alta energia. A figura 4 ilustra como os átomos estão desorganizados na fronteira dos grãos. Isso é ocasionado pelo encontro dos cristais que crescem em específicas direções, quando encontram outro grão, este é uma barreira.

Figura 4 – Contorno de grão

Fonte: CALLISTER, 2014

Fonte: PADILHA, 2000

Contornos por macla é outro exemplo. Ocorrem nos contornos de grão e possuem simetria aparentando uma ligação espelhada, no sentido geométrico, costumeiramente chamado de ligações gêmeas (PADILHA, 2000).

Por último há os defeitos volumétricos que são em geral inclusões, fases precipitadas e poros no meio do material.

Fonte: CALLISTER, 2014

  1. Descreva e ilustre os seguintes defeitos que podem aparecer em cristais iônicos a) defeito de Schottky e b) defeito de Frenkel

Os defeitos Schottky e Frenkel são defeitos puntiformes que surgem em cristais iônicos. O íon pode estar entre os interstícios ou então se ausentar, originando uma vacância. Quando o átomo sai de sua posição regular e se aloca no interstício, é denominado defeito Frenkel. A figura 5 ilustra este tipo defeito. Quando um cátion está faltando, um ânion também “desaparece” mantendo o balanço das cargas. Esse defeito denomina-se Shottky. A figura 6 ilustra este tipo de defeito (VAN VLACK, 1984).

Figura 6 – Defeito Shottky

Figura 5 – Defeito Frenkel

Fonte: http://slideplayer.com.br/slide/344333/

Fonte: http://slideplayer.com.br/slide/344333/

  1. Estabeleça uma correlação entre defeitos e propriedades dos materiais. Cite alguns exemplos.

Nos materiais metálicos, a habilidade de deformação mecânica e a resistência a tensão está intimamente ligada com os deslocamentos de discordâncias. É o que permite o material metálico deformar plasticamente. Para aumentar a resistência mecânica (mecanismo de endurecimento) se propõe a por barreiras para dificultar o movimento das discordâncias. Alguns mecanismos como o refino do tamanho de grão, aumentando assim o número de contornos de grão (defeito bidimensional); adição de discordâncias (endurecimento por deformação ou encruamento) travando as discordâncias e dificultando o seu movimento. Precipitados também dificultam, devido a nova fase formada alterando a superfície em determinadas regiões do material (PADILHA, 2000).

Para aumentar a condutividade elétrica de materiais, é usado dopagens que são inserção de átomos de outros materiais com propriedades eletrônicas que tendem a ser mais condutoras. Essa dopagem é a adição de impurezas. Um exemplo dessa aplicação é encontrada em semicondutores a base de silício, da qual adiciona-se elementos com maior valência (o fósforo). Por possuir um elétron a mais em sua banda de valência, este elétron “sobra” e como está eletricamente ligado por uma atração fraca, pode deslocar pelo material a temperatura ambiente. (CALLISTER, 2014)

4. Para condições de equilíbrio, qual é o número de lacunas em 1 m3 em determinado metal puro a 950ºC?

Dados:

massa atômica: 65,38 g/mol

densidade (a 950ºC): 7,140 g/cm3

energia de ativação para formação de uma lacuna = 0,7 eV / átomo de Cu

constante de Boltzmann: 8,614 x 10 -5 eV / K

  1. O que é o Vetor de Burgers? Para que serve?

Vetor de Burgers é a direção em que a discordância está se deslocando. Indica a magnitude e o sentido da deformação. A natureza da discordância está associada com o vetor de Burgers. Se o vetor estiver perpendicular ao movimento, a discordância é em cunha e se for paralela, a discordância é do tipo hélice (CALLISTER, 2014).

6. Qual a influência das discordâncias nas propriedades mecânicas dos metais?

Discordância é a fronteira entre um plano que deslizou e outro plano que permaneceu fixo. A deformação plástica é causada por deslizamento de discordâncias no plano cristalino. O movimento dos planos atômico geralmente ocorre nos planos e direções de maior densidade atômica.

Alguns mecanismo usados para dar maior resistência aos material é barrar ou travar as discordâncias. Travando ou barrando as discordâncias, faz com que os planos não escorreguem, exigindo maior esforço mecânico para movimentar os planos atômicos (PADILHA, 2000).

7. Descreva a estrutura de um limite de grão e diga por que são favoráveis para a nucleação e crescimento de precipitados.

Os contornos de grãos é a interface entre cristais os cristais em um material policristalino. São regiões de desordem, da qual os átomos estão dispostos de modo não ordenado. Nessa região, os átomos possuem ligações químicas não satisfeitas, ou seja, ligações que não estão completas. Devido a essas características, são regiões de alta energia (PADILHA, 2000).

É favorável a precipitação de segunda fase nos contornos por ser uma região com alta energia de superfície.

8. A presença de impurezas ou a adição de elementos de liga diminui o número de lacunas em um material metálico? Justifique sua resposta.

Pode diminuir com o efeito de impureza do tipo substitucional, que é quando um átomo estranho ocupa uma vacância, substituindo na posição, o átomo hospedeiro. Porém vale ressaltar que termodinamicamente é impossível haver um material isento de vacâncias. Portanto a adição de impurezas pode diminuir, porém não extinguir as lacunas existentes no material hospedeiro.

REFERÊNCIAS

CALLISTER, W. D. Materials Science and Engineering an introduction. 9o ed. Wiley, 2014

VAN VLACK. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais. 4º ed. Campus, 1984

PADILHA. Materiais de Engenharia. Ed. Eletrônica. Hemus. 2000

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