Curso: Engenharia Civil

Disciplina: Introduo a cincia dos materiais

Perodo: 3

Turma: C

Turno: Noturno

Faculdade Pitgoras

Unidade Macei

Imperfeies nos slidos

Prof. Dr. Jos Atalvanio

atalvanioacademico@gmail.com

Introduo

Tem sido assumido que materiais cristalinos apresentam perfeita ordem na escalaatmica;No entanto, tais slidos idealizados so raramente encontrados; Muitos apresentam inmeros defeitos ou imperfeies.

Defeitos cristalinos esto relacionados irregularidade do retculo; A classificao das imperfeies cristalinas feita de acordo com a geometria oudimensionalidade do defeito;

Defeitos pontuais (associados a uma ou maisposies atmicas)

Vacncias e auto-intersticial

A vacncia o defeito pontual mais simples(ausncia de tomos); A sntese de qualquer material slidoapresentar vacncia no produto final; A existncia das vacncias explicada pelatermodinmica: a vacncia aumenta aentropia (S) do sistema.

vacncia tomo intersticial

tomo substitucional pequeno

tomo substitucional grande

Auto-intersticial

Esto relacionados a um tomo do prprio cristal que est localizado em umaregio intersticial, um pequeno espao que em condies normais no ocupado;

Interstcios: espaos vazios entre os tomos do retculo;

Nos metais, a auto-intersticialintroduz grandes distores nasvizinhanas do retculo devido ostomos serem substancialmentemaiores que a posio intersticial naqual est situado;

A formao deste defeito no altamente provvel e ele existe emconcentraes muito pequenas.

Impurezas nos slidos

Um metal puro nunca ter um nico tipo de tomo;

Impurezas ou tomos estranhos estaro sempre presentes e alguns existiro como

defeitos pontuais cristalinos;

Muitos metais no so altamente puros, so ligas nas quais tomos impuros so

adicionados intencionalmente para conferir caractersticas especficas do material;

As ligas so usadas nos metais para melhorarem a fora e a resistncia a corroso;

Exemplo: A prata esterlina apresenta92,5% de prata e 7,5% de liga de cobre. Emcondies ambientes, a prata altamenteresistente a corroso, no entanto, muitomole. A liga com cobre melhorasignificantemente a resistncia mecnica semdepreciar a resistncia corroso.

Solues slidas

Formam-se quando tomos do soluto so adicionados ao material suporte, a estruturacristalina mantida e nenhuma nova estrutura formada;

Uma soluo slida composicionalmente homognea;

Os tomos impuros so randomicamente e uniformemente dispersos no slido;

Os defeitos pontuais impuros so encontradosnos slidos de duas formas:

Substitucional: slidos ou tomosimpuros substituem os tomoshospedeiros.

Intersticial: os tomos do soluto ocupamos interstcios existentes no retculo. Ostomos intersticiais interferem nacondutividade eltrica e no movimento dostomos que formam o material.

Este movimento torna a liga mais dura eforte.

Um ction bivalente substitui um ctionmonovalente. Um segundo ction monovalentedeve ser removido provocando uma vacncia.

Um exemplo de soluo slida substitucional o cobre e nquel; so completamente miscveis um no outro em qualquer proporo;

Pelas regras de solubilidade:

raio atmico do cobre: 0,128 nm raio atmico do nquel: 0,125 nm ambos tem estrutura cristalina FCC eletronegatividade Cu: 1,9 eletronegatividade Ni: 1,8 valncias: Cu+1 ou Cu+2 e Ni+2

Cobre bruto

Nquel bruto

Especificao da composio

H duas maneiras de expressar a concentrao ou composio de uma liga emtermos de seus elementos constituintes:

Porcentagem em peso ou massa (massa %) eporcentagem atmica (p.a. %);

Sendo:C1 = concentrao da substncia 1;m1 = massa da substncia 1;m2 = massa da substncia 2;

Para calcular a porcentagem atmica faz-se arelao do nmero de mol de um elementopelo nmero de mols total dos elementos daliga.

Nmero de mols em uma massa especfica:

= massa do elemento 1;

A1 = peso atmico do elemento 1.

Porcentagem em peso ou massa

porcentagem atmica

Fatores de converso:Converso kg/m3

Densidade e peso atmico

Imperfeies diversas

Deslocamentos defeitos lineares

Deslocamentos so defeitos lineares ouunidimensionais nos quais os tomos estodesalinhados.

Deslocamentos de aresta/Deslocamentoslineares: so um defeito linear que centra-se nalinha que defini-se ao longo de um plano extrade tomos;

Na regio da linha de deslocamento halguma distoro do retculo.

deslocamento helicoidal/parafuso

Aplica-se uma tenso de quebra paraproduzir distoro;

A regio superior frontal do cristal deslocada uma distncia atmica direita daporo inferior;

A distoro atmica associada com odeslocamento helicoidal tambm linear e aolongo da linha de deslocamento (linha AB dafigura);

Muitos deslocamentos presentes nosmateriais cristalinos exibem os dois tipos dedeslocamento, no apenas um tipo:deslocamentos mistas.

Os trs tipos de luxaes:

A distoro do retculo produzida apartir de duas faces mistas, tendo vriosgraus de caractersticas de borda/aresta ehelicoidal;

(a) Representao esquemtica de umadeslocamento de borda, helicoidal emisto;

(b) Crculos abertos denotam posiesatmicas acima do plano deslizante ecrculos slidos, posies atmicas abaixo.

No ponto A, o deslocamento puramente helicoidal, enquanto no ponto B puramente de borda. Para regies entre acurvatura e a linha de luxao, h um cartermisto;

Os deslocamentos podem ser observados emmateriais cristalinos usando tcnicas demicroscopia eletrnica.

As linhas escuras na figura ao lado so osdeslocamentos.

Micrografia eletrnica detransmisso de alta ampliao.

Todos os materiais cristalinos contem algumtipo de deslocamento obtido durante asolidificao, deformao plstica e comoconsequncia de bruscas temperaturas queresultam no rpido congelamento.

Os deslocamentos esto envolvidos nadeformao plstica de materiais cristalinos emmetais e cermicas.

Defeitos interfaciais

So fronteiras que apresentam duas dimenses e normalmente regies separadasdos materiais que tem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientaes cristalogrficas.

Estas imperfeies incluem: superfcies externas, fronteiras granuladas, fronteiras defase, fronteiras geminadas e falhas de empilhamento.

Superfcies externas

So uma das fronteiras mais bvias;

Os tomos no esto ligados ao nmeromximo de vizinhos prximos e portanto, temuma energia muito mais alta que os tomosmais internos.

Para reduzir esta energia os materiaistendem a reduzir sua rea superficial;

Fronteiras granuladas

Quando a fronteira de separao dedois pequenos grnulos ou cristalitos temdiferentes orientaes cristalogrficas emmateriais policristalinos;

Dentro da regio da fronteira, halguma incompatibilidade na transio daorientao cristalina de um gro paraoutro.

Vrios graus de desalinhamentocristalogrfico entre gros adjacentes sopossveis.

Quando esta incompatibilidade pequena, usa-se o termo pequeno (ou)baixo ngulo.

Pequenos ngulos so obtidos quando tem-se umasubstncia como na imagem ao lado:

Esta uma fronteira de inclinao.

Os tomos esto ligados menos regularmentedistribudos ;

Fronteiras granuladas so mais reativas quimicamentedo que os gros isolados;

Fronteiras granulares de grandes gros tem energiasuperficial maior que aquelas formadas por grosmenores.

Mesmo com o arranjo desordenado dos tomos eperda da regularidade nas ligaes, o materialpolicristalino ainda muito forte.

Fases das fronteiras

As fronteiras de fase existem em materiais multifsicos, onde uma fase diferenteexiste em ambos os lados da fronteira;

Cada uma das diferentes fases tem suas prprias caractersticas qumicas e fsicas;

As fronteiras de fase desempenham um papel importante na determinao decaractersticas mecnicas de algumas ligas metlicas.

Fronteiras geminadas

As fronteiras geminadas so um tipoespecial de fronteira granulada onde h umasimetria de retculo especular;

Os tomos em um lado da fronteira estolocalizados em posies de imagensespeculares dos tomos do outro lado;

Geminados resultam de deslocamentos atmicos produzidos a partir de forasmecnicas (geminados mecnicos) e tambm durante tratamentos trmicos dedeformao (geminados de emparelhamento);

Geminados de emparelhamento so tipicamente encontrados em estruturascristalinas FCC;

Geminados mecnicos so observados em metais BCC e HCP;

Resumo

Vacncia e auto-intersticiais

Defeitos pontuais so aqueles associados com uma ou duas posies atmicas; estasincluem vacncias e auto-intersticiais (tomos hospedeiros que ocupam posiesintersticiais);

O nmero de vacncias em equilbrio depende da temperatura.

Impurezas nos slidos

Uma liga uma substncia metlica que composta de dois ou mais elementos;

Uma soluo slida pode formar-se quando tomos impuros so adicionados a umslido, no qual a estrutura cristalina mantida e nenhuma nova fase formada;

Para solues slidas substitucionais, tomos impuros substitudos por tomoshospedeiros;

Solues slidas intersticiais formam-se para tomos de impureza relativamentepequena que ocupam posies intersticiais entre os tomos hospedeiros;

Para solues slidas substitucionais, solubilidade aprecivel possvel somentequando dimetros atmicos e eletronegatividades para ambos tipos de tomos sosimilares, quando ambos os elementos tem a mesma estrutura cristalina e quando ostomos impuros tem uma valncia que a mesma ou menor que o materialhospedeiro;

Especificao da composio

A composio de uma liga pode ser especificada em porcentagem em massa ou porcentagem atmica;

Deslocamentos defeitos lineares

Deslocamentos so defeitos cristalinos uni-dimensionais, dos quais h dois tipos:borda e helicoidal;Uma borda pode ser pensada em termos da distoro do retculo ao longo daextremidade de um meio-plano extra de tomos;Um eixo helicoidal assemelha-se a um parafuso.Para deslocamentos mistos, os componentes de ambos borda e helicoidal puros soencontrados; A magnitude e direo da distoro de retculo associada com o deslocamento soespecificadas pelos seus vetores de Burgers.

As orientaes relativas do vetor Burgers e linha de deslocamento so (1)perpendicular para borda, (2) paralelo para helicoidal e (3) nem perpendicular nemparalelo para mistos;

Defeitos interfaciais

No interior da vizinhana de uma fronteira granulada, h uma incompatibilidadeatmica entre dois gros adjacentes que tem diferentes orientaes cristalogrficas;

Para uma fronteira granular de alto ngulo, o ngulo de desalinhamento entre gros relativamente grande; este ngulo relativamente pequeno para fronteirasgranulares de pequeno ngulo;

Atravs de uma fronteira granular, os tomos de um lado so imagens especulares dooutro lado.