Capítulo 4 - Imperfeições nos sólidos

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<p>Ciência dos Materiais</p><p>Professor: Leonardo Belichi Vieira</p><p>Email: leonardo.belichi@ifes.edu.br</p><p>IFES</p><p>INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO</p><p>Campus São Mateus</p><p>IFES</p><p>Imperfeições nos sólidos</p><p>Introdução</p><p>Até o momento, estamos assumindo que, em uma escala atômica, existe uma ordem perfeita nos</p><p>materiais cristalinos. Porém, esse sólido ideal não existe, pois todos os materiais contêm</p><p>inúmeros defeitos ou imperfeições.</p><p>Defeito cristalino é definido como uma irregularidade na rede, tendo uma ou mais de suas</p><p>dimensões da ordem de um diâmetro atômico.</p><p>A classificação das imperfeições cristalinas é feita de acordo com a geometria ou a</p><p>dimensionalidade do defeito da seguinte forma:</p><p>• Defeitos pontuais;</p><p>• Defeitos lineares;</p><p>• Defeitos interfaciais;</p><p>• Defeitos volumétricos.</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Lacunas: trata-se de um sítio vago na rede cristalina, o qual deveria estar ocupado por um</p><p>átomo. Todos os sólidos cristalinos apresentam lacunas, não sendo possível criar um material</p><p>isento desse defeito.</p><p>O número de lacunas em equilíbrio aumenta com a temperatura de acordo com a equação:</p><p>𝑁𝑙 = 𝑁exp −</p><p>𝑄𝑙</p><p>𝑘𝑇</p><p>𝑁𝑙 número de lacunas em equilíbrio.</p><p>𝑁 número total de sítios atômicos.</p><p>𝑄𝑙 energia necessária para a formação de uma lacuna.</p><p>𝑇 temperatura absoluta.</p><p>𝑘 constante de Boltzmann.</p><p>Número de sítios atômicos por m³:</p><p>𝑁 =</p><p>𝑁𝐴𝜌</p><p>𝐴</p><p>𝑁𝐴 = 6,023 × 1023 átomos/mol</p><p>𝜌 massa específica</p><p>𝐴 peso atômico</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Devido à agitação térmica, os átomos de um cristal real estão sempre vibrando.</p><p>Quanto maior a energia térmica (ou temperatura), maior será a chance de átomos saírem de</p><p>suas posições, deixando um vazio (lacuna) em seu lugar.</p><p>Lacunas (e átomos/íons da rede em posições intersticiais) podem ser criadas nos materiais por</p><p>deformação plástica ou por meio de irradiação com partículas de alta energia (nêutrons, elétrons</p><p>ou íons).</p><p>Uma alta concentração de lacunas também pode ser retida em um cristal por meio de</p><p>resfriamento rápido a partir de altas temperaturas.</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Auto-intersticial: consiste em um átomo do cristal</p><p>que se encontra comprimido em um sítio</p><p>intersticial, que é um pequeno espaço vazio que,</p><p>sob circunstâncias normais, não é ocupado.</p><p>Nos metais, um auto-intersticial introduz</p><p>distorções relativamente grandes na vizinhança.</p><p>Esse defeito existe em concentrações reduzidas</p><p>quando comparado aos defeitos de lacunas.</p><p>Auto-intersticial Lacuna</p><p>Representação de uma lacuna e de um</p><p>auto-intersticial.</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Exemplo: Calcule o número de lacunas em equilíbrio por metro cúbico de cobre a 1000 °C. A</p><p>energia para a formação de uma lacuna é de 0,9 eV/átomo; o peso atômico e a massa específica</p><p>(a 1000 °C) para o cobre são de 63,5 g/mol e 8,4 g/cm³, respectivamente.</p><p>Constante de Boltzmann: 𝑘 = 8,62 × 10−5 eV/átomoK</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Impurezas nos sólidos.</p><p>Um metal puro, que consiste em apenas um tipo de átomo, é simplesmente impossível.</p><p>Impurezas ou átomos diferentes estarão sempre presentes e alguns irão existir como defeitos</p><p>pontuais no cristal.</p><p>Liga: átomos de impurezas são adicionados intencionalmente para conferir características</p><p>específicas ao material.</p><p>A adição de átomos de impurezas a um metal resultará na formação de uma solução sólida e/ou</p><p>de uma nova segunda fase, dependendo do tipo de impureza, da concentração e da temperatura</p><p>da liga.</p><p>Solvente: elemento ou composto presente em maior quantidade (átomos hospedeiros).</p><p>Soluto: elemento ou composto presente em menor quantidade.</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Solução sólida.</p><p>Uma solução sólida se forma quando, à medida que os átomos de soluto são adicionados ao</p><p>material hospedeiro, a estrutura cristalina é mantida e nenhuma nova estrutura é formada.</p><p>Uma solução sólida é homogênea em termos de composição: os átomos de impurezas estão</p><p>distribuídos aleatória e uniformemente no interior do sólido.</p><p>Nas soluções sólidas são encontrados defeitos pontuais devido à presença de impurezas. Esses</p><p>defeitos podem ser substitucionais ou intersticiais.</p><p>• Substitucionais: os átomos de soluto (ou de impureza) repõem ou substituem o hospedeiro.</p><p>• Intersticiais: os átomos de soluto (ou de impureza) preenchem os vazios ou interstícios que</p><p>existem entre os átomos hospedeiros.</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Representações esquemáticas bidimensionais de um</p><p>átomo de impureza substitucional e de um átomo de</p><p>impureza intersticial.</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Características dos átomos de soluto e de solvente que determinam o grau segundo o qual o</p><p>primeiro se dissolve no segundo:</p><p>• Fator do Tamanho Atômico: Os raios atômicos dos dois elementos não devem diferir entre si</p><p>de mais de 15%.</p><p>• Estrutura Cristalina: a estrutura cristalina deve ser a mesma.</p><p>• Eletronegatividade: As eletronegatividades devem ser quase iguais ou próximas, caso</p><p>contrário poderá formar-se um composto por conta da diferença de afinidade por elétrons.</p><p>• Valências: As valências dos dois elementos não devem diferir de mais de uma unidade.</p><p>Exemplo: Cobre e níquel são completamente solúveis um no outro em todas as proporções!</p><p>Raio atômico do cobre é 0,128 nm e do níquel é 0,125 nm; ambos possuem estrutura CFC; a</p><p>eletronegatividade do cobre é 1,9 e do níquel é 1,8; a valência mais comum do cobre é +1 e do</p><p>níquel é +2.</p><p>Defeitos pontuais</p><p>O diâmetro atômico de uma impureza intersticial deve ser substancialmente menor do que</p><p>aquele dos átomos hospedeiros.</p><p>Normalmente, mesmo os átomos de impurezas intersticiais muito pequenos são normalmente</p><p>maiores do que os sítios intersticiais, e como consequência, introduzem algumas deformações de</p><p>rede sobre os átomos hospedeiros adjacentes.</p><p>O carbono forma uma solução sólida intersticial quando é adicionado ao ferro; a concentração</p><p>máxima de carbono é de aproximadamente 2%. O raio atômico do átomo de carbono é muito</p><p>menor que a do ferro, 0,71 nm contra 0,124 nm.</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Exemplo: A seguir, estão tabulados o raio atômico, a estrutura cristalina, a</p><p>eletronegatividade e as valências mais comuns para vários elementos. Para aqueles que</p><p>não são metais, apenas os raios atômicos estão indicados.</p><p>Com quais desses elementos seria</p><p>esperada a formação do seguinte</p><p>tipo de composto com o níquel:</p><p>a) Uma solução sólida</p><p>substitucional com</p><p>solubilidade completa.</p><p>b) Uma solução sólida</p><p>substitucional com</p><p>solubilidade incompleta.</p><p>c) Uma solução sólida</p><p>intersticial.</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Especificação da composição.</p><p>A composição de uma liga é expressa em termos de seus componentes através da:</p><p>a) Porcentagem em peso – para uma liga que contém dois átomos hipotéticos:</p><p>𝐶1 =</p><p>𝑚1</p><p>𝑚1 + 𝑚2</p><p>× 100</p><p>𝑚1 e 𝑚2 representam o peso (massa) dos elementos 1 e 2.</p><p>b) Porcentagem atômica – número de mols de um elemento em relação ao número total de</p><p>mols dos elementos de liga.</p><p>𝐶1</p><p>′ =</p><p>𝑛𝑚1</p><p>𝑛𝑚1 + 𝑛𝑚2</p><p>× 100</p><p>𝑛𝑚1 =</p><p>𝑚1</p><p>′</p><p>𝐴1</p><p>𝑚1</p><p>′ é a massa em gramas e 𝐴1 é o peso atômico do elemento 1.</p><p>𝐶1 + 𝐶2 = 100</p><p>𝐶1</p><p>′ + 𝐶2</p><p>′ = 100</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Especificação da composição.</p><p>Também é possível converter de composição em peso para composição atômica, e vice-versa:</p><p>Ainda, algumas vezes é necessário converter a concentração de porcentagem em peso (%p) para</p><p>a massa de um componente por unidade de volume do material (kg/m³):</p><p>𝐶1</p><p>′ =</p><p>𝐶1𝐴2</p><p>𝐶1𝐴2 + 𝐶2𝐴1</p><p>× 100 𝐶1 =</p><p>𝐶1</p><p>′𝐴1</p><p>𝐶1</p><p>′𝐴1 + 𝐶2</p><p>′𝐴2</p><p>× 100</p><p>𝐶1</p><p>′′ =</p><p>𝐶1</p><p>𝐶1</p><p>𝜌</p><p>+</p><p>𝐶2</p><p>𝜌</p><p>× 103 𝐶2</p><p>′′ =</p><p>𝐶2</p><p>𝐶1</p><p>𝜌</p><p>+</p><p>𝐶2</p><p>𝜌</p><p>× 103</p><p>Defeitos pontuais</p><p>Especificação da composição.</p><p>Exemplo: Calcule a composição, em porcentagem em peso, de uma liga que contém 105 kg de</p><p>ferro, 0,2 kg de carbono e 1 kg de cromo.</p><p>Exemplo: Qual é a composição, em porcentagem atômica, de uma liga que consiste em 92,5%p</p><p>Ag e 7,5%p Cu. (𝐴𝐴𝑔 = 107,87 g/mol e 𝐴𝐶𝑢 = 63,55 g/mol)</p><p>Exemplo: Qual é a composição, em porcentagem atômica, de uma liga que contém 33 g de cobre</p><p>e 47 g de zinco?</p><p>Exemplo: A concentração de silício em uma liga ferro-silício é de 0,25%p. Qual é a concentração</p><p>em quilogramas de silício por metro cúbico da liga?</p><p>Defeitos lineares</p><p>Discordância: é um defeito linear ou unidimensional entorno do qual alguns dos átomos estão</p><p>desalinhados.</p><p>a) Discordância aresta: uma parte extra de um plano de átomos, ou semiplano, cuja aresta</p><p>termina no interior do cristal.</p><p>Distorção localizada da rede cristalina ao longo da</p><p>extremidade de um semiplano extra de átomos, que também</p><p>define a linha de discordância.</p><p>Vetor de Burgers (𝑏): a magnitude e a direção da distorção da</p><p>rede associadas a uma discordância são expressas em termos</p><p>do vetor de Burgers.</p><p>Vetor de Burgers (𝑏) perpendicular à linha de discordância.</p><p>Defeitos lineares</p><p>b) Discordância espiral: gerada por uma tensão cisalhante que é aplicada para produzir a</p><p>distorção.</p><p>Rampa espiral planar resultante de cisalhamento;</p><p>Vetor de Burgers (𝑏) paralelo à linha de discordância.</p><p>Muitos materiais cristalinos apresentam discordâncias mistas, ou</p><p>seja, possuem componentes em aresta e em espiral.</p><p>Defeitos lineares</p><p>As discordâncias estão presentes em todos os</p><p>materiais cristalinos.</p><p>São oriundas dos processos de solidificação,</p><p>trabalho à frio e tratamentos térmicos.</p><p>As discordâncias são um dos defeitos cristalinos</p><p>mais significantes, tendo um papel</p><p>fundamental nos mecanismos de aumento de</p><p>resistência mecânica e no processo de</p><p>deformação plástica dos metais.</p><p>Discordâncias (linhas pretas) observadas</p><p>por meio de microscopia eletrônica de</p><p>transmissão (aumento aproximado de</p><p>51000 X).</p><p>Defeitos interfaciais</p><p>Os defeitos interfaciais são contornos que possuem duas dimensões e que normalmente</p><p>separam regiões dos materiais que possuem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações</p><p>cristalográficas.</p><p>Entre os principais podem ser citados:</p><p>• Superfícies externas.</p><p>• Contornos de grão.</p><p>• Contornos de macla.</p><p>• Falhas de empilhamento.</p><p>• Contornos de fase.</p><p>Defeitos interfaciais</p><p>Superfícies externas.</p><p>Esse tipo de contorno surge ao longo do qual termina o material (superfície), região em que</p><p>muitas ligações estão incompletas.</p><p>Os átomos da superfície não estão ligados ao número máximo de vizinhos, estando portanto em</p><p>um estado de energia maior do que os átomos do interior.</p><p>As ligações desses átomos que não estão completos dão origem a uma energia de superfície,</p><p>expressa em J/m².</p><p>Para reduzir essa energia, os materiais tendem a reduzir, se possível, a área total de sua</p><p>superfície (ex: as gotículas dos líquidos tornam-se esféricas). Obviamente, isso não é possível nos</p><p>materiais mecanicamente rígidos.</p><p>Defeitos interfaciais</p><p>Contornos de grão.</p><p>É o contorno que separa dois grãos ou</p><p>cristais que possuem diferentes</p><p>orientações cristalográficas em materiais</p><p>policristalinos.</p><p>Na região do contorno existe um</p><p>desalinhamento dos átomos na transição</p><p>da orientação cristalina de um grão para</p><p>outro.</p><p>Os átomos estão ligados de uma maneira</p><p>menos regular ao longo de um contorno</p><p>de grão, originando uma energia</p><p>interfacial semelhante à energia de</p><p>superfície.</p><p>Ângulo de desalinhamento</p><p>Ângulo de desalinhamento</p><p>Contorno</p><p>de grão de</p><p>alto ângulo</p><p>Contorno de</p><p>grão de</p><p>baixo ângulo</p><p>Defeitos interfaciais</p><p>Contornos de grão.</p><p>Quanto maior a desorientação dos contornos</p><p>maior a energia associada a essa região</p><p>(contorno de alto ângulo).</p><p>Os contornos de grãos são quimicamente mais</p><p>reativos do que os grãos. Assim, existe uma</p><p>tendência maior da segregação de precipitados</p><p>nessa região, além do acúmulo de discordâncias.</p><p>Os contornos de grãos influenciam</p><p>significativamente as propriedades mecânicas</p><p>dos metais.</p><p>Os grãos crescem a temperaturas elevadas,</p><p>reduzindo assim o contorno do grão.</p><p>Representação dos contornos de grãos em um</p><p>material policristalino.</p><p>Defeitos interfaciais</p><p>Contornos de macla.</p><p>É um tipo especial de contorno de grão através do</p><p>qual existe uma simetria espelhada da rede</p><p>cristalina.</p><p>Tal simetria ocorre em planos específicos de cada</p><p>estrutura e é devido a um deslocamento dos átomos,</p><p>seja por solicitação mecânica macla de deformação</p><p>ou por tratamento térmico macla de recozimento.</p><p>Maclas de recozimento são normalmente</p><p>encontradas em metais com estrutura CFC; já as</p><p>maclas de deformação são observadas em metais</p><p>CCC e HC.</p><p>Representação de um plano ou contorno de</p><p>macla e as posições atômicas adjacentes.</p><p>Defeitos interfaciais</p><p>Defeitos interfaciais diversos.</p><p>Falhas de empilhamento: encontradas nos metais CFC quando existe interrupção na sequência</p><p>de empilhamento dos planos compactos 𝐴𝐵𝐶𝐴𝐵𝐶𝐴𝐵𝐶 …</p><p>Falha de empilhamento.</p><p>Defeitos interfaciais</p><p>Defeitos interfaciais diversos.</p><p>Contornos de fases: existem nos materiais multifásicos, através dos quais há uma mudança</p><p>repentina nas características físicas e/ou químicas do material.</p><p>Diagrama esquemático do defeito interfacial de</p><p>contorno de fase.</p><p>Microestrutura de aço hipoeutetoide.</p><p>Defeitos volumétricos e vibrações atômicas</p><p>Dentre os principais defeitos volumétricos incluem-se os poros, as trincas e outras fases</p><p>Esses defeitos são geralmente introduzidos durante as etapas dos processos de fabricação</p><p>mecânica.</p><p>Em casos mais específicos, podemos considerar que a vibração atômica também pode ser</p><p>considerada um tipo de defeito, pois átomos com energias diferentes vibram de modo diferente</p><p>dentro da rede cristalina.</p><p>Análises microscópicas</p><p>Microscopia ótica.</p><p>Microestrutura da liga Co-30Cr-19Fe.</p><p>Microestrutura de um aço inoxidável.</p><p>Análises microscópicas</p><p>Microscopia ótica.</p><p>Detalhes de microtrincas no fundo de um risco produzido no</p><p>ensaio de uma amostra da liga Co-30Cr-19Fe nitretada a plasma.</p><p>Análises microscópicas</p><p>Microscopia eletrônica de varredura (MEV).</p><p>Camada nitretada formada após o</p><p>tratamento termoquímico de nitretação a</p><p>plasma em uma liga Co-30Cr-19Fe.</p><p>Partículas abrasivas de SiO2.</p><p>Análises microscópicas</p><p>Microscopia eletrônica de transmissão (MET).</p><p>Discordâncias (linhas pretas)</p><p>observadas por meio de MET</p><p>(aumento aproximado de 51000 X).</p><p>Referências Bibliográficas</p><p>CALLISTER JR, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 7ª ed. Rio de</p><p>Janeiro. LTC. 2008.</p><p>Slide 1: Ciência dos Materiais</p><p>Slide 2: Imperfeições nos sólidos</p><p>Slide 3</p><p>Slide 4</p><p>Slide 5</p><p>Slide 6</p><p>Slide 7</p><p>Slide 8</p><p>Slide 9</p><p>Slide 10</p><p>Slide 11</p><p>Slide 12</p><p>Slide 13</p><p>Slide 14</p><p>Slide 15</p><p>Slide 16</p><p>Slide 17</p><p>Slide 18</p><p>Slide 19</p><p>Slide 20</p><p>Slide 21</p><p>Slide 22</p><p>Slide 23</p><p>Slide 24</p><p>Slide 25</p><p>Slide 26</p><p>Slide 27</p><p>Slide 28</p><p>Slide 29</p><p>Slide 30</p><p>Slide 31</p><p>Slide 32</p>