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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
OBJETIVO
• Apresentar os principais tipos de defeitos cristalinos dos materiais
de engenharia.
ROTEIRO
• Defeitos puntiformes• Defeitos puntiformes
• Impurezas
• Soluções sólidas
• Defeitos de linha
• Defeitos bidimensionais
• Observação da Microestrutura
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DEFEITO CRISTALINO: imperfeição do reticulado cristalino.
CLASSIFICAÇÃO GEOMÉTRICA DOS DEFEITOS CRISTALINOS:
• DEFEITOS PUNTIFORMES: lacunas e átomos intersticiais;
• DEFEITOS DE LINHA (defeitos unidimensionais): discordâncias;
DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
• 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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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
CLASSIFICAÇÃO TERMODINÂMICA DOS 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• DEFEITOS DE NÃO EQUILÍBRIO. Exemplos: discordâncias, contornos de
grãos, interfaces e superfícies.
No caso dos defeitos de equilíbrio, o aumento de energia interna ou 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 de não equilíbrio,
esta compensação não é possível.
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DEFEITOS PUNTIFORMES: LACUNAS
• LACUNA (“vacancy”): ausência de um átomo no reticulado cristalino.
• Podem ser formadas durante a deformação plástica ou como resultado
de vibrações atômicas.
• Existe uma CONCENTRAÇÃO DE EQUILÍBRIO de lacunas.• Existe uma CONCENTRAÇÃO DE EQUILÍBRIO de lacunas.
onde:N = número total de posições atômicasNL = número de lacunasQL = energia de ativação para formação de lacunask = constante de BoltzmannT = temperatura absoluta
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DEFEITOS PUNTIFORMES: AUTO-INTERSTICIAIS
• 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.
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
IMPUREZAS
• 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 99,9999%.
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
SOLUÇÕES 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 sólida e/ou fazer
parte de uma segunda fase.
• Em uma liga, o elemento presente em menor concentração denomina-se SOLUTO e 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 e Zn), bronze (Cu e Sn), 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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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
SOLUÇÃO SÓLIDA SUBSTITUCIONAL:
(a) ESTRUTURA CRISTALINA DO SOLUTO SEJA A MESMA DO SOLVENTE;
(b) VALÊNCIAS DO SOLUTO E DO SOLVENTE SEJAM IGUAIS;
SOLUÇÕES SÓLIDAS
(b) VALÊNCIAS DO SOLUTO E DO SOLVENTE SEJAM IGUAIS;
(c) ELETRO-NEGATIVIDADES DO SOLUTO E DO SOLVENTE SEJAM PRÓXIMAS;
(d) RAIOS ATÔMICOS DO SOLUTO E SOLVENTE TENHAM VALORES PRÓXIMOS
(A DIFERENÇA NÃO DEVE ULTRAPASSAR 15 %).
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DEFEITOS PUNTIFORMES
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DEFEITOS PUNTIFORMES
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PRESENÇA DE SOLUTOS ALTERA OCOMPORTAMENTO MECÂNICO DOS METAIS:
• DIFERENÇA ENTRE TAMANHOS ATÔMICOSLEVA AO AUMENTO DA RESISTÊNCIAMECÂNICA;• AUMENTO DA QUANTIDADE DE SOLUTO
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SOLUÇÕES SÓLIDAS
• AUMENTO DA QUANTIDADE DE SOLUTOLEVA AO AUMENTO DA RESISTÊNCIAMECÂNICA;
EXEMPLOS:• LIGA Cu-Zn: AUMENTO PEQUENO(TAMANHOS ATÔMICOS PRÓXIMOS);• LIGA Cu-Sn: AUMENTO MÉDIO(TAMANHOS ATÔMICOS DIFERENTES);• LIGA Cu-Be: AUMENTO ELEVADO(TAMANHOS ATÔMICOS DIFERENTES);
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
COMPOSIÇÃO DE UMA LIGA
• CONCENTRAÇÃO EM MASSA (ou peso) - porcentagem em massa (% peso):
onde m é a massa (ou peso) dos elementos.
• CONCENTRAÇÃO ATÔMICA - porcentagem atômica (% at.):
onde NA e NB são os números de moles dos elementos A e B.
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DEFEITOS PUNTIFORMES EM SÓLIDOS IÔNICOS
• A neutralidade elétrica tende a ser respeitada.
• DEFEITO SCHOTTKY: lacuna aniônica + lacuna catiônica
• DEFEITO FRENKEL: cátion intersticial + lacuna catiônica
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
Íons de ferro (Fe) noóxido de ferro podemapresentar doisestados de oxidação,
DEFEITOS PUNTIFORMES EM SÓLIDOS IÔNICOS
estados de oxidação,Fe2+ e Fe3+. Isso,aliado à necessidadede se manter aneutralidade elétricado sólido iônicocristalino, leva à não-estequiometria doóxido de ferro.NÃO-ESTEQUIOMETRIA
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DEFEITOS PUNTIFORMES EM SÓLIDOS IÔNICOS
IMPUREZAS
Exemplos de aplicação:
– Resistências de fornos elétricos(condutividade elétrica de cerâmicasem alta temperatura).– Sensores de gases.– Materiais com propriedadesmagnéticas interessantes.
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DEFEITOS DE LINHA EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DEFEITOS ALINHADOS E CONTÍNUOS: IMPERFEIÇÕES EM LINHA
OS DEFEITOS EM LINHA, TAMBÉM CHAMADOS DE DISCORDÂNCIAS SÃOIMPERFEIÇÕES QUE CAUSAM A DISTORÇÃO DA REDE CRISTALINA EMTORNO DE UMA LINHA E CARACTERIZAM-SE POR ENVOLVER UM PLANOTORNO DE UMA LINHA E CARACTERIZAM-SE POR ENVOLVER UM PLANOEXTRA DE ÁTOMOS.
ESTAS IMPERFEIÇÕES PODEM SER PRODUZIDAS DURANTE O CRESCIMENTO DO CRISTAL OU NA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DO CRISTAL.
EXISTEM DOIS TIPOS PRINCIPAIS DE DISCORDÂNCIAS:DISCORDÂNCIA EM CUNHADISCORDÂNCIA EM HÉLICE
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DEFEITOS DE LINHA EM SÓLIDOS CRISTALINOS
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DISCORDÂNCIA EM CUNHA
LINHA DE DISCORDÂNCIA
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DISCORDÂNCIA EM CUNHA
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE
Tensões de cisalhamento estão associadas aos átomos adjacentes à linha da
discordância em hélice.
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DISCORDÂNCIA MISTA
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DISCORDÂNCIA
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
DEFEITOS BIDIMENSIONAIS
Cristais apresentam defeitos em duas dimensões, que se estendem ao longo
da estrutura, gerando imperfeições de superfícies:
� Interface – contorno entre duas fases diferentes;
� Superfície Externa – superfície entre o cristal e o meio;
� Falhas de Empilhamento – interrupção na seqüência de empilhamento;
� Contornos de Grão – contorno entre dois cristais da mesma fase;
� Maclas – tipo especial de contorno de grão que separa duas
regiões com uma simetria tipo “espelho”.
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
Contorno de grão (> 15°)
CONTORNOS DE GRÃO
Contorno de subgrão
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
CONTORNOS DE GRÃO
NUCLEAÇÃO
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
MACLAS
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DEFEITOS EM SÓLIDOS CRISTALINOS
MACLAS
Cu-Al-Ni
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FALHAS DE EMPILHAMENTO
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