Imperfeições em Sólidos
Profa. Dra. Daniela Becker
Por que estudar Imperfeições em Sólidos?
„
As propriedades de alguns materiais são
influenciados pela presença de imperfeições
„
Exemplo:
‰
Propriedades mecânicas de metais puros
experimentam alterações significativas quando
átomos de impurezas são adicionados
‰
Materiais semicondutores funcionam devido a
concentrações controladas de impurezas
específicas são incorporadas em regiões
pequenas e localizadas
Tipos de imperfeições
„
Defeitos pontuais
„
Defeitos de linha (discordâncias)
„
Defeitos de interface (grão e maclas)
„
Defeitos volumétricos (inclusões,
precipitados)
O que é um defeito?
„
„
É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo
periódico regular dos átomos em um cristal.
Podem 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 cristal é
processado.
Imperfeições Estruturais
„
Apenas uma pequena fração dos sítios
atômicos são imperfeitos
Menos de 1 em 1 milhão
„
Menos sendo poucos eles influenciam muito
nas propriedades dos materiais e nem
sempre de forma negativa
Imperfeições estruturais: Importância
DEFEITOS
INTRODUÇÃO
SELETIVA
CONTROLE
DO NÚMERO
ARRANJO
Permite desenhar e criar novos materiais
com a combinação desejada de propriedades
Exemplos de efeitos da presença de
imperfeições
„
O processo de dopagem em semicondutores
visa criar imperfeições para mudar o tipo de
condutividade em determinadas regiões do
material
„
A deformação mecânica dos materiais
promove a formação de imperfeições que
geram um aumento na resistência mecânica
(processo conhecido como encruamento)
Defeitos Pontuais – Lacunas
e Auto-intersticiais
Lacunas ou Vazios
„
„
„
Envolve a falta de um
átomo
São formados durante
a solidificação do
cristal ou como
resultado das vibrações
atômicas (os átomos
deslocam-se de suas
posições normais)
Todos os sólidos
cristalinos possuem
lacunas
Lacunas ou Vazios
„
O número de vazios aumenta exponencialmente
com a temperatura
Cd=Nv/N exp (-Qv/KT)
Cd = concentração de vazios
Nv= número de vazios
N= número total de sítios atômicos
Qv= energia requerida para formação de vacâncias
K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou
8,62x10-5 eV/ at.K
Lacunas ou Vazios
„
Gráfico de Arrhenius
Exemplo
Intersticiais
„
„
„
Envolve um átomo extra
no interstício (do próprio
cristal)
Produz uma distorção no
reticulado, já que o átomo
geralmente é maior que o
espaço do interstício
A formação de um defeito
intersticial implica na
criação de um vazio, por
isso este defeito é menos
provável que um vazio
Intersticiais
Átomo intersticial grande
Átomo intersticial pequeno
Gera maior distorção na rede
Interstícios na rede cúbica (C Fe)
Interstícios nas redes cúbicas: (a) Interstício do tipo ¼ , ½ , 0 na rede
CCC, (b) interstício ½ , 0 , 0 na rede CFC, (c) Interstícios do centro do
cubo ½ , ½ , ½ e do centro da aresta ½ , 0 , 0 em metais CFC.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Defeitos pontuais: (a) lacuna, (b) átomo intersticial, (c) átomo substitucional pequeno,
(d) átomo substitucional grande, (e) defeito de Frenkel, (f) defeito de Schottky. Todos
estes defeitos perturbam o “perfeito”arranjo atômico dos átomos vizinhos.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Fatores que influenciam a difusão
Fatores que influenciam a difusão
Impurezas em sólidos
Impurezas nos sólidos
„
Um metal considerado puro sempre tem
impurezas (átomos estranhos) presentes
99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3
„
A presença de impurezas promove a
formação de defeitos pontuais
Ligas metálicas
„
Impurezas são adicionadas intencionalmente
com a finalidade:
-
aumentar a resistência mecânica
-
aumentar a resistência à corrosão
-
Aumentar a condutividade elétrica
„
A adição de átomos de impurezas a um
metal irá resultar a formação de:
‰
‰
„
Soluções sólidas < limite de solubilidade
Segunda fase > limite de solubilidade
A solubilidade depende :
‰
‰
‰
Temperatura
Tipo de impureza
Concentração da impureza
Ilustração de fases e solubilidade: (a) As três formas da água: sólida, líquida e gasosa; (b)
água e álcool têm solubilidade ilimitada; (c) Sal e água possuem solubilidade limitada;
(d) Água e óleo não possuem solubilidade.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
„
„
Elemento de liga ou Impureza → soluto
(< quantidade)
Matriz ou Hospedeiro → solvente
(>quantidade)
Soluções Sólidas
„
„
„
A estrutura cristalina do material que atua como
matriz é mantida e não formam-se novas estruturas
As soluções sólidas formam-se mais facilmente
quando o elemento de liga (impureza) e matriz
apresentam estrutura cristalina e dimensões
eletrônicas semelhantes
Nas soluções sólidas as impurezas podem
ser:
‰
‰
Intersticial
Substitucional
Soluções Sólidas Substitucionais
„
Os átomos do soluto ou átomos de
impurezas tomam o lugar dos átomos
hospedeiros ou os substituem
SUBSTITUCIONAL
ORDENADA
SUBSTITUCIONAL
DESORDENADA
Fatores que influem na formação de
soluções sólidas substitucionais
„
„
„
„
Raio atômico → deve ter uma diferença de no
máximo 15%, caso contrário pode promover
distorções na rede e assim formação de nova
fase
Estrutura cristalina → mesma
Eletronegatividade → próximas
Valência → mesma ou maior que a do
hospedeiro
Cu + Ni
são solúveis em todas as proporções
Cu
Ni
Raio atômico
0,128nm=1,28 A
0,125 nm=1,25A
Estrutura
CFC
CFC
Eletronegatividade
1,9
1,8
Valência
+1 (as vezes +2)
+2
Soluções Sólidas Intersticiais
„
„
„
„
Os átomos de impurezas ou os elementos de
liga ocupam os espaços dos interstícios
Ocorre quando a impureza apresenta raio
atômico bem menor que o hospedeiro
Como os materiais metálicos tem geralmente
fator de empacotamento alto as posições
intersticiais são relativamente pequenas
Geralmente, no máximo 10% de impurezas
são incorporadas nos interstícios
Exemplo de Solução Sólida
Intersticial
„
Fe + C
solubilidade máxima do C no
Fe é 2,1% a 910 C (Fe CFC)
O C tem raio atômico bastante pequeno se
comparado com o Fe
rC= 0,071 nm= 0,71 A
rFe= 0,124 nm= 1,24 A
Defeito de linha
Discordâncias
„
É um defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns dos
átomos estão desalinhados;
„
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
Podem ser:
‰
‰
‰
Aresta
Hélice
Mista
Discordâncias
„
Discordância – Um defeito linear em um material cristalino.
„
Discordância em cunha (“edge dislocation”) – Uma discordância
introduzida no cristal pela adição de um “meio plano extra” de átomos.
„
Discordância em hélice (“screw dislocation”) – Uma discordância
produzida pela distorção (torção) de um cristal, de modo que um plano
atômico produza uma rampa ao redor da discordância (caminho para a
discordância).
„
Discordância mista (“mixed dislocation”) – Uma discordância que
contem componentes de discordâncias em cunha e em hélice.
„
Escorregamento (“slip”) – Deformação de um material metálico pelo
movimento de discordâncias através do cristal.
Vetor de Burger (b)
„
„
Dá a magnitude e a direção de distorção da
rede
Corresponde à distância de deslocamento
dos átomos ao redor da discordância
Discordância Aresta
„
„
„
Envolve um SEMIplano extra de átomos
O vetor de Burger é
perpendicular à direção
da linha da
discordância
Envolve zonas de
tração e compressão
O cristal perfeito em (a) é cortado e um meio plano atômico extra
é inserido (b). A extremidade da parte inferior do plano extra é
uma discordância em cunha (c). O vetor de Burgers b é
necessário para fechar um circuito de igual espaçamento atômico
ao redor da discordância.
(Adaptado de: J. D. Verhoeven, Fundamentals of Physical
Metallurgy, Wiley, 1975.)
Discordância Hélice
„
„
Produz distorção na
rede devido a tensão
de cisalhamento
O vetor de burger é
paralelo à direção da
linha de discordância
O cristal perfeito (a) é cortado e cisalhado em um espaçamento
interatômico, (b) e (c). A linha ao longo da qual ocorre o
cisalhamento é uma discordância em hélice. Um vetor de Burgers
b é requerido para fechar o circuito de igual espaçamento
interatômico ao redor da discordância.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Como se observa as discordância
„
Diretamente → microscopia eletrônica de
transmissão (MET)
„
Indiretamente → microscopia eletronica de
varredura (MEV) e microscopia óptica (após
ataque químico seletivo)
DISCORDÂNCIAS NO TEM
Discordâncias e deformação plástica
Discordâncias e deformação plástica
Discordâncias e deformação plástica
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
Defeitos Interfaciais
Defeitos interfaciais
„
„
Envolvem fronteiras (defeitos em duas
dimensões) e normalmente separam regiões
dos materiais de diferentes estruturas
cristalinas ou orientações cristalográficas
Essas imperfeições incluem:
‰
‰
‰
‰
‰
Superfície externa
Contorno de grão
Fronteiras entre fases
Maclas ou Twins
Defeitos de empilhamento
Superfícies externas
„
„
„
„
Na superfície os átomos não estão
completamente ligados
Então o estado energia dos átomos na
superfície é maior que no interior do cristal
Os materiais tendem a minimizar está
energia
A energia superficial é expressa em erg/cm2
ou J/m2)
Contornos de Grão
„
„
Corresponde à região que
separa dois ou mais cristais
de orientação diferente
No interior de cada grão
todos os átomos estão
arranjados segundo um
único modelo e única
orientação, caracterizada
pela célula unitária
Contornos de Grão
Os átomos próximos aos contornos (a) não possuem uma distância de
equilíbrio ou arranjo definido. Grãos e contornos de grão em uma amostra de
aço inoxidável ferrítico (b).
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Contornos de grãos vistos por MO
Fonte: material Profa. Eleani Maria da Costa DEM/PUCRS
Formação do Grão
A forma do grão é
controlada:
controlada
- pela presença dos
grãos
circunvizinhos
O tamanho de grão é
controlado
- Composição
- Taxa de cristalização
ou solidificação
Contornos de macla (“twin”)
Aplicação de tensão em um cristal perfeito (a) pode causar um deslocamento dos
átomos, (b) resultando na formação de uma macla.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
„
As maclas resultam de deslocamentos
atômicos que são produzidos a partir de:
‰
‰
Forças mecânicas de cisalhamento
Tratamentos térmicos de recozimento realizado
após deformação
Defeitos interfaciais diversos
„
Falhas de empilhamento:
‰
‰
„
São encontrados em metais CFC
Interrupção na seqüência de empilhamento
ABCABC
Contornos de fase
‰
Materiais de múltiplas fases, através dos quais há
uma mudança repentina nas características
físicas e/ou químicas
Interfaces (fronteiras entre fases)
Exemplos de interfaces: (a) um precipitado não-coerente não possui relação
com a estrutura cristalina da matriz metálica; (b) um precipitado coerente se
forma de modo a preservar a integridade da rede cristalina. Existe relação entre
a estrutura do precipitado e da matriz metálica.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Defeitos Volumétricos
Defeitos volumétricos
„
„
São introduzidas no processamento do material e/ou
na fabricação do componente
São eles:
‰
‰
Inclusões - Impurezas estranhas
Precipitado - 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
Inclusões
INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%)
LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C.
Porosidade
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
Exemplo de partículas de segunda fase
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-A) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO).