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UNIVERSIDADE ANHANGUERA – UNIDERP CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
Prof.: MATHEUS PIAZZALUNGA NEIVOCK
E-mail: [email protected]
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
As propriedades dos materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições. Por esta razão é necessário ter o conhecimento sobre os tipos de imperfeições que existem e sobre quais as consequências que elas causam nos materiais.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
Por exemplo, a prata de lei (92,5% de prata e 7,5% de cobre) é muito mais resistente que a prata pura. Já o silício utilizado em nossos chip´s de computador, quanto maior sua pureza menor quantidade de ruídos e interferências são gerados durante o processamento de dados.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
Vimos até o momento, que em escala atômica, muitos materiais apresentam um certo grau de organização. Infelizmente não são todos os materiais que apresentam essa organização e muito menos uma organização total de sua estrutura. Por essa razão o material perfeito, sem defeitos praticamente não existe.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
Cabe a nós engenheiros e entusiastas das ciências e tecnologia dos materiais aprender a conviver e controlar estes defeitos e imperfeições. Mas antes de listar estes defeitos surge a pergunta:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
Cabe a nós engenheiros e entusiastas das ciências e tecnologia dos materiais aprender a conviver e controlar estes defeitos e imperfeições. Mas antes de listar estes defeitos surge a pergunta: “O que é um defeito cristalino?”
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal.
Pode envolver uma irregularidade
• na posição dos átomos
• no tipo de átomos
O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente e das circunstâncias sob as quais o material foi processado.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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• Apenas uma pequena fração dos sítios
(ou posições) atômicos são imperfeitas;
Menos de 1 em 1 milhão
• Mesmo sendo poucos eles influenciam
muito nas propriedades dos materiais e
nem sempre de forma negativa.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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DEFEITOS
INTRODUÇÃO SELETIVA
CONTROLE DO NÚMERO
ARRANJO
NOVOS MATERIAIS
OU MATERIAIS COM PROPRIEDADES DESEJADAS
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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Exemplo do efeito das imperfeições:
o O processo de dopagem em semicondutores visa criar imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material;
o A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições que gera um aumento na resistência (processo conhecido como encruamento);
o Wiskers de ferro (monocristais sem imperfeições do tipo
discordâncias) apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a aproximadamente
270MPa.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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Classificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;
LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensão
DISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;
CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES, CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensões
POROS, TRINCAS E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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Classificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;
LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensão
DISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;
CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES, CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensões
POROS, TRINCAS E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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Classificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;
LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensão
DISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;
CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES, CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensões
POROS, TRINCAS E INCLUSÕES
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Classificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;
LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensão
DISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;
CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES, CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensões
POROS, TRINCAS E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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Classificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;
LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensão
DISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;
CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES, CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensões
POROS, TRINCAS, FASES E INCLUSÕES
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LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
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LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
• Átomo intersticial: é um átomo que ocupa um interstício da
estrutura cristalina;
• Os defeitos de átomos intersticiais causam uma grande
distorção do reticulado cristalino a sua volta.
LACUNA
ÁTOMO
INTERSTICIAL
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LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
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LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
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LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
• Influenciam principalmente nas propriedades
óticas e elétricas dos materiais;
• Influem em processos como difusão,
transformação de fases, fluência, etc…
• Átomos de soluto geram defeitos pontuais.
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LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
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LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS:
SÓLIDOS
IÔNICOS
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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Classificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;
LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensão
DISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;
CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES, CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensões
POROS, TRINCAS, FASES E INCLUSÕES
![Page 25: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/25.jpg)
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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DISCORDÂNCIAS:
• As discordâncias estão associadas com a
cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais);
• A presença deste defeito é a responsável pela
deformação, falha e ruptura dos materiais.
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DISCORDÂNCIAS:
• Podem ser:
- Cunha
- Hélice
- Mista
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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DISCORDÂNCIAS:
VETOR DE BURGERS (b)
• Dá a magnitude e a direção de distorção da rede
• Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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DISCORDÂNCIAS:
VETOR DE BURGERS (b)
• Dá a magnitude e a direção de distorção
da rede;
• Corresponde à distância de deslocamento
dos átomos ao redor da discordância.
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DISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:
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DISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:
• Envolve um semi-plano 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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DISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:
Fonte
: P
rof.
Sid
nei
, D
CM
M, P
UC
RJ
![Page 32: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/32.jpg)
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DISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:
![Page 33: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/33.jpg)
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DISCORDÂNCIAS – EM CUNHA:
![Page 34: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/34.jpg)
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DISCORDÂNCIAS – EM HÉLICE:
• Produz distorção na rede;
• O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância.
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DISCORDÂNCIAS – EM HÉLICE:
![Page 36: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/36.jpg)
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DISCORDÂNCIAS – EM HÉLICE:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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DISCORDÂNCIAS – EM HÉLICE:
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE
UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS
SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENTOS SUPERFICIAIS.
(Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).
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DISCORDÂNCIAS E ENERGIA:
• A energia associada a uma discordância
depende do vetor de Burger (varia com o
quadrado do vetor de Burger);
• Discordância com alto vetor de Burger tende a
se dissociar em duas ou mais discordâncias de
menor vetor de Burger (como o vetor é menor
que o vetor da rede é chamado de falha de
empilhamento-stacking fault);
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DISCORDÂNCIAS – MISTAS:
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DISCORDÂNCIAS - Visualizando:
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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DISCORDÂNCIAS – Considerações Gerais:
• 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 das mesmas e formação de discordâncias únicas;
• Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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DISCORDÂNCIAS – Considerações Gerais:
• A densidade das discordâncias depende da orientação cristalográfica, pois o cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade atômica;
• As discordâncias geram vacâncias (vazios);
• As discordâncias influem nos processos de difusão;
• A formação de discordâncias contribuem para a deformação plástica;
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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Classificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;
LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensão
DISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;
CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES, CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensões
POROS, TRINCAS, FASES E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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DEPEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS:
• Interface: contorno entre duas fases diferentes;
• Contornos de Grão: contornos entre dois cristais sólidos
da mesma fase;
• Superfície Livre ou 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 interrupção na seqüência de empilhamento, por
exemplo na seqüência ABCABCABC.... dos planos
compactos dos cristais CFC ou HC.
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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CONTORNOS DE GRÃO:
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MATERIAIS POLICRISTALINOS
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IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
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CONTORNOS DE GRÃO:
Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente.
UM CRISTAL = UM GRÃO
No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação, caracterizada pela célula unitária
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CONTORNOS DE GRÃO:
Monocristal: Material com apenas uma
orientação cristalina, ou seja, que contém
apenas um grão;
Policristal: Material com mais de uma orientação
cristalina, ou seja, que contém vários grãos.
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CONTORNOS DE GRÃO:
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CONTORNOS DE GRÃO – CONSIDERAÇÕES:
• Há um empacotamento ATÔMICO menos eficiente;
• Há uma energia mais elevada;
• Favorece a nucleação de novas fases (segregação);
• Favorece a difusão;
• O contorno de grão ancora o movimento das discordâncias.
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CONTORNOS DE GRÃO:
DISCORDÂNCIA
O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui um obstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRÃO .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
A passagem de uma
discordância através do
contorno de grão requer
energia.
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CONTORNOS DE GRÃO:
DISCORDÂNCIA
O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui um obstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRÃO .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
A passagem de uma
discordância através do
contorno de grão requer
energia.
?
![Page 53: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/53.jpg)
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CONTORNOS DE GRÃO:
DISCORDÂNCIA
O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois constitui um obstáculo para a passagem da mesma, LOGO QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRÃO .........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
A passagem de uma
discordância através do
contorno de grão requer
energia.
AUMENTA
![Page 54: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/54.jpg)
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MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS (TWINS):
• É um tipo especial de contorno de grão;
• Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno
• A macla ocorre num plano definido e numa
direção específica, dependendo da estrutura cristalina
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MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS (TWINS):
![Page 56: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/56.jpg)
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MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS (TWINS):
O seu aparecimento está geralmente associado com A PRESENÇA DE:
- Tensões térmicas;
- Tensões mecânicas;
- Impurezas.
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FALHAS DE EMPILHAMENTO:
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Classificação:
•Defeitos Pontuais: associados c/ 1 ou 2 posições atômicas;
LACUNAS E ÁTOMOS INTERSTICIAIS.
•Defeitos lineares: uma dimensão
DISCORDÂNCIAS
•Defeitos planos ou interfaciais: (fronteiras) duas dimensões;
CONTORNOS DE GRÃO, INTERFACES, SUPERFÍCIES LIVRES, CONTORNOS DE MACLAS E DEFEITOS DE EMPILHAMENTO
•Defeitos volumétricos: três dimensões
POROS, TRINCAS, FASES E INCLUSÕES
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IMPERFEIÇÕES VOLUMÉTRICAS:
- Inclusões : Impurezas estranhas;
- Precipitados: são aglomerados de partículas cuja
composição difere da matriz;
- Fases: forma-se devido à presença de impurezas ou
elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado);
- Porosidade: origina-se devido a presença ou formação
de gases.
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INCLUSÕES:
INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%)
LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C.
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INCLUSÕES:
SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO.
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POROS:
COMPACTADO DE PÓ DE
FERRO,COMPACTAÇÃO
UNIAXIAL EM MATRIZ DE
DUPLO EFEITO, A 550 MPa
COMPACTADO DE PÓ DE FERRO
APÓS SINTERIZAÇÃO
A 1150oC, POR 120min EM
ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO
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FASES:
A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ
PERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DE
DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-α) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO).
![Page 64: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/64.jpg)
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FASES:
Microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg
mostrando diversas fases precipitadas
![Page 65: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/65.jpg)
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FASES:
Micrografia da Liga
Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão
![Page 66: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/66.jpg)
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TRINCAS:
![Page 67: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/67.jpg)
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TRINCAS:
![Page 68: Aula 4 -CTM (teórica)](https://reader030.vdocuments.pub/reader030/viewer/2022020122/544ff520af79590b098b487b/html5/thumbnails/68.jpg)
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MICROESTRUTURA
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MICROESTRUTURA
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EXERCÍCIOS
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Exercícios:
1- Existem materiais perfeitos? Explique.
2- O que é considerado um defeito cristalino?
3- A presença de impurezas ou a adição de elementos de liga diminui o
número de lacunas em um material metálico? Justifique sua resposta.
4- Como os defeitos cristalinos podem ser classificados, cite exemplo dos
defeitos.
5- Por que os defeitos são importantes na determinação de algumas
propriedades físicas e mecânicas? Cite alguns exemplos.
6- Qual a influência das discordâncias nas propriedades mecânicas dos
materiais?
7- Como o tamanho de grão interfere nas propriedades mecânicas dos
materiais? Explique sua resposta.
8- Como é possível o estudo das diferentes microestruturas dos materiais?
Explique como as imagens são obtidas.
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EXERCÍCIOS
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Material relacionados: – Capítulo 4 : completo + exercícios;
– Capítulo 7 : Maclas, item 7.7 + exercícios.
– Capítulo 13: Defeitos em sólidos iônicos, item 13.5 + exercício.
Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução.
Autor: William D. Callister Jr.
Estão disponíveis no nosso grupo do google
apps: CTM
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Referências
1- Aulas profa. Eleani Maria da Costa – PUCRS;
2- Introdução à Ciência dos Materiais para
Engenharia, alulas Prof. Dr. Antônio Carlos Vieira
Coelho, Escola Politécnica da USP;
3- Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia. Ed.
Hemus. São Paulo. 1997;
4- Van Vlack, L. H., Princípios de Ciência dos
Materiais. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1970;
5- Callister, Jr, W. D., Ciência e Engenharia de
Materiais: Uma introdução, Ed. LTC, 5ed., Rio de
Janeiro, RJ, 2002.
CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Prof.: Matheus P. Neivock