Imperfeições em sólidos cristalinos

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<p>Unidade III</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>Até o momento tem sido considerado que, em uma escala</p><p>atômica, existe uma ordenação perfeita por todo o material cristalino.</p><p>Entretanto esse tipo de sólido ideal não existe; todos os materiais</p><p>contêm grande número de uma variedade de defeitos ou imperfeições.</p><p>A classificação de imperfeições cristalinas é feita, frequentemente, de</p><p>acordo com a geometria ou com a dimensionalidade do defeito.</p><p>DEFEITOS CRISTALINOS</p><p>Micrografia de amostra de ferro</p><p>fundido nodular</p><p>Micrografia eletrônica de</p><p>transmissão de liga de titânio</p><p>Micrografia de varredura de</p><p>amostra de silício</p><p>DEFEITOS CRISTALINOS E PROPRIEDADES</p><p>TIPOS DE DEFEITOS CRISTALINOS</p><p>PONTUAIS</p><p>SUPERFICIAISVOLUMÉTRICOS</p><p>LINEARES</p><p>DEFEITOS PONTUAIS</p><p>O defeito pontual mais simples é a lacuna, ou um sítio vago na</p><p>rede cristalina que normalmente deveria estar ocupado, mas no qual está</p><p>faltando um átomo.</p><p>Todos os sólidos cristalinos contém lacunas e, na realidade, não é</p><p>possível criar um material que esteja livre desse tipo de defeito.</p><p>DEFEITOS PONTUAIS</p><p>Lacuna</p><p>Auto-intersticial</p><p>Átomo de impureza</p><p>substitucional</p><p>Átomo de impureza</p><p>intersticial</p><p>LACUNAS</p><p>Temperatura</p><p>[K]</p><p>Número de</p><p>lacunas</p><p>Número de</p><p>posições na</p><p>rede</p><p>Energia para</p><p>criar uma</p><p>lacuna</p><p>[J ou eV]</p><p>Constante de Boltzmann</p><p>[1,38x10-23 J/átomo·K</p><p>ou</p><p>8,62x10-5 eV/átomo·K]</p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p> </p><p></p><p>Tk</p><p>Q</p><p>expNN l</p><p>l</p><p>  xexexp* </p><p>EXEMPLO #1: CÁLCULO DO NÚMERO DE</p><p>LACUNAS</p><p>O número N de sítios atômicos em V = 1 m3 = (102 cm)3 = 106 cm3:</p><p>Calcule o NÚMERO DE LACUNAS EM EQUILÍBRIO/M3 de cobre a</p><p>1000 °C. A ENERGIA para a formação de uma LACUNA é</p><p>0,9 eV/átomo. O PESO ATÔMICO e a DENSIDADE (a 1000 °C) para</p><p>o cobre são 63,5 g/mol e 8,4 g/cm3, nesta ordem.</p><p>AVN</p><p>NA</p><p>ρ</p><p>   </p><p>g/mol63,5</p><p>cm10átomos/mol106,023</p><p>g/cm8,4N</p><p>3623</p><p>3 </p><p></p><p>A</p><p>VN</p><p>ρN A</p><p>átomos108,0N 28</p><p>Nl/N ~ 0,03% dos sítios</p><p>ESTÃO VAZIOS.</p><p>EXEMPLO #1: CÁLCULO DO NÚMERO DE</p><p>LACUNAS</p><p>Então, para T = 1000 °C = 1000 + 273 K = 1273 K:</p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p>kT</p><p>Q</p><p>expNN l</p><p>l</p><p>Nl = 2,2x1025 lacunas/m3</p><p>   </p><p>  </p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p>K1273eV/K108,62</p><p>eV0,9</p><p>exp108,0N</p><p>5-</p><p>23</p><p>l</p><p>DEFEITO INTERSTICIAL</p><p>Um defeito intersticial é um átomo do cristal que se encontra</p><p>comprimido em um sítio intersticial, que é um pequeno espaço vazio que</p><p>sob circunstâncias normais não estaria ocupado.</p><p>Nos metais um defeito intersticial introduz distorções</p><p>relativamente grandes em sua vizinhança na rede cristalina, pois o átomo</p><p>é substancialmente maior que a posição intersticial em que ele está</p><p>localizado.</p><p>SOLUTO E SOLVENTE</p><p>AÇO CARBONO</p><p>1020</p><p>Fe: 99%</p><p>C: 0,2%</p><p>Outros: 0,8%</p><p>SOLUÇÕES SÓLIDAS</p><p>Ferro</p><p>Carbono</p><p>Zinco</p><p>Cobre</p><p>Substitucionais</p><p>Intersticiais</p><p>IMPUREZAS</p><p>Monocristal de silício:</p><p>99,99999 % de pureza.</p><p>Monocristal de silício:</p><p>99,99999 % de pureza.</p><p>IMPUREZAS</p><p>Um metal puro formado apenas por um tipo de átomo é</p><p>simplesmente impossível; impurezas ou átomos diferentes estarão</p><p>sempre presentes, e alguns existirão como defeitos pontuais nos</p><p>cristais.</p><p>A maioria dos metais mais familiares não são altamente puros; ao</p><p>contrário eles são ligas, em que intencionalmente foram adicionado</p><p>átomos de impurezas para conferir características especificas ao</p><p>material.</p><p>IMPUREZAS</p><p>Solução sólida: aço</p><p>com 0,1%p de C</p><p>Duas fases: aço</p><p>com 0,8%p de C</p><p>SOLUÇÃO SÓLIDA</p><p>Uma solução sólida se forma quando, na medida em que os</p><p>átomos de soluto são adicionados ao material hospedeiro, a estrutura</p><p>cristalina é mantida e nenhuma estrutura nova é formada.</p><p>Uma solução sólida também é homogênea em termos da sua</p><p>composição; os átomos de impurezas estão distribuídos aleatoriamente</p><p>e uniformemente no sólido.</p><p>EXEMPLO #2: CÁLCULO DO RAIO INTERSTICIAL</p><p>Calcule o raio r de impureza que se ajusta exatamente no INTERIOR</p><p>de um sítio octaédrico CCC em termos do raio atômico R do átomo</p><p>hospedeiro.</p><p>EXEMPLO #2: CÁLCULO DO RAIO INTERSTICIAL</p><p>ESPECIFICAÇÃO DA COMPOSIÇÃO</p><p>Muitas vezes, é necessário expressar a composição (ou</p><p>concentração) de uma liga em termos dos seus elementos constituintes.</p><p>As duas maneiras mais comuns para especificar a composição são pela</p><p>porcentagem em peso (ou massa) e pela concentração atômica. Para</p><p>uma liga que contém dois átomos hipotéticos identificados como 1 e 2, a</p><p>concentração de átomo 1 em %p, C1, é definida como:</p><p>CONVERSÕES ENTRE COMPOSIÇÕES</p><p>Com frequência, é necessário converter de um tipo de</p><p>composição para outro – por exemplo, converter de porcentagem em</p><p>peso para porcentagem atômica. Vamos agora apresentar as equações</p><p>usadas para realizar essas conversões em termos de dois elementos</p><p>hipotéticos 1 e 2.</p><p>EXEMPLO #3: CÁLCULO DE COMPOSIÇÃO</p><p>A composição em PERCENTAGEM DE MASSA é:</p><p>60,1%pC100</p><p>6598</p><p>98</p><p>100</p><p>mm</p><p>m</p><p>C Sn</p><p>PbSn</p><p>Sn</p><p>Sn </p><p></p><p></p><p></p><p></p><p>39,9%pC60,1100CC100C PbPbSnPb </p><p>Qual a COMPOSIÇÃO, Em PERCENTAGEM DE MASSA e ATÔMICA,</p><p>de uma liga que contém 98 g DE ESTANHO e 65 g DE CHUMBO?</p><p>PESOS ATÔMICOS: ASn =118,7 g/mol e APb = 207,2 g/mol.</p><p>EXEMPLO #4: CONVERSÃO DE COMPOSIÇÃO</p><p>Determine a COMPOSIÇÃO em porcentagem atômica de uma LIGA</p><p>com 97 %p de Alumínio e 3 %p de COBRE.</p><p>Pesos atômicos: ACu = 63,5 g/mol e AAL = 26,98 g/mol.</p><p>EXERCÍCIOS SUGERIDOS</p><p>4.1, 4.3</p><p>4.8 a 4.10</p><p>4.16, 4.17, 4.24</p><p>e 4.35</p>