Imperfeições em Sólidos
•
Sólidos não são perfeitos em sua microestrutura:
 muitas propriedades estão relacionadas com estes defeitos;
 freqüentemente defeitos são induzidos propositalmente nos materiais.
•
Defeito cristalino:
Uma irregularidade na rede cristalina da ordem de um diâmetro atômico em
uma ou mais de suas dimensões.
•
Classificação dos defeitos cristalinos em função da dimensão em que ocorrem:
 Defeito pontual ( 0 – D)
 Discordâncias ( 1 – D)
 Defeitos interfaciais ou de fronteira (2 – D)
 Defeitos em volume (3 – D)
Defeitos Pontuais
Vazios e Intersticiais
Vazios
Substitucionais
Intersticiais
• Vazios: sítios atômicos vagos na estrutura cristalina
• Intersticiais: átomos extras ocupando posições entre os sítios atômicos
• Substitucionais: átomos de elementos “estranhos” inseridos na rede cristalina
Defeitos Pontuais
Defeito de Frenkel: Auto-intersticial
(átomo ou íon) criando uma vacância
na rede.
O número de equilíbrio de
vazios no sistema é função
da temperatura:
 Qv 
N v  N exp 

 kT 
Nv = Número de vazios
N = Número de posições atômicas
Qv = Energia de ativação
T = Temperatura absoluta em kelvins
Átomo/íon em uma
posição intersticial
Vacância
k = Constante de Boltzman
1,38x10-23 J/átomo.K
8,62x10-5 ev/átomo.K
Defeitos Pontuais : Impurezas em Sólidos
• Há sempre impurezas em cristais metálicos e que podem ser vistos como
defeitos pontuais.
• Ligas:
 Átomos de impurezas são adicionados intencionalmente a uma
estrutura cristalina formada por outro átomo para gerara
propriedades específicas aos materiais.
• Adição de impurezas :
 solução sólida
 formação de 2a fase
• Elementos em uma liga:
 Solvente : elemento ou composto presente em maior quantidade
 Soluto: elemento ou composto presente em menor quantidade
 Fase: porção homogênea de um material com características
físicas e químicas uniformes.
Defeitos Pontuais : Solução Sólida
• Dois ou mais elementos dispersos em uma única fase.
 2 tipos: substitucional
ou
intersticial
• Substitucional:
 átomos do solvente substituídos por átomos do soluto no reticulado;
 a estrutura do solvente não muda, mas se deforma;
• Intersticial:
 os átomos do soluto “espremem-se” nos vazios (interstícios) da rede cristalina do solvente;
 ocorre quando a diferença de tamanho entre soluto e solvente é grande;
 a máxima solubilidade é menor que 10 %
Defeitos Pontuais : Defeito de Schottky
Cristal covalente: vacância
Cristal iônico: par de vacâncias
Ns = Número de vazios
N = Número de posições atômicas
Qs = Energia de ativação
T = Temperatura absoluta em kelvins
k = Constante de Boltzman
1,38x10-23 J/átomo.K
8,62x10-5 ev/átomo.K
Defeitos Pontuais : Condição de Eletroneutralidade
A compensação de carga leva à formação de vazios.
Concentrações - Composição
• % Peso: útil quando se trabalha com soluções
m1
C1 
100
m1  m2
• % Atômica: útil quando se estuda o material no nível atômico
nm1
C 
100
nm1  nm 2
'
1
m1
nm1 
A1
 m1 : massa do elemento 1
 A1 : massa atômica do elemento 1
 n1 : número de moles do elemento 1
• Conversão: % peso
% atômica
% atômica
% massa
Defeitos em Linha : Discordâncias
•
Definição
 Defeito em uma dimensão ao redor do qual alguns átomos encontramse desalinhados;
 Translação incompleta de uma das partes da rede em relação às outras.
•
Classificação
 Discordância em aresta
 Discordância em espiral
 Discordância combinada
Defeitos em Linha : Discordâncias
Discordância de aresta: o
movimento da linha de
discordância é paralelo ao da
força de cisalhamento
Discordância em espiral: o
movimento da linha de
discordância é perpendicular
ao da força de cisalhamento
Discordância de Aresta
(a)
(b)
(c)
Discordância de aresta
a)
Um cristal perfeito;
b)
Um plano extra é inserido no cristal (a);
c)
O vetor de burgers b equivale à distância necessária para
fechar o contorno formado pelo mesmo número de átomos
ao redor da discordância de aresta.
Discordâncias: O Vetor de Burgers
Vetor de Burgers
Linha da
discordância
de aresta
 O vetor de Burgers b é perpendicular à linha de discordância em uma
discordância de aresta.
Discordância em Espiral
Linha de
discordância
(a)
(b)
(c)
Vetor de
Burgers b
a)
Um cristal perfeito;
b) e c) Deslocamento de uma secção transversal da ordem de um espaçamento
atômico.
 O vetor de Burgers b é paralelo à linha de discordância em uma discordância
em espiral.
Discordância em Espiral
 Discordância em espiral como resultado de um cisalhamento parcial
Discordância Combinada
 Discordâncias de aresta ou em espiral raramente ocorrem separadamente.
Movimento de Discordâncias
Tensão de cisalhamento
Plano de deslizamento
Plano extra de átomos
Linha de discordância
Vetor de Burgers
O
movimento
de
discordâncias
provocam
deslizamentos,
que
resultam em deformações
permanentes (plásticas) no
material.
Monocristal
tração
de
Zn
sob
Discordâncias : Esforços Envolvidos
Repulsão
Atração e
aniquilamento
Regiões de tração e compressão
ao redor da discordância
Interação entre discordâncias
Defeitos Interfaciais
• Superfícies Externas:
 Átomos na superfície não têm todas suas ligações satisfeitas e possuem maior
energia livre que os átomos sob a superfícies;
 Área da superfície tende a minimizar;
 A superfície dos sólidos podem se “reconstruir” para satisfazer as ligações
atômicas dos seus átomos.
Superfície com
energia livre
Átomos
insaturados
Material
cristalino
Defeitos Interfaciais: Contornos de Grão
• Contornos de Grão:
 Materiais policristalinos são formados por muitos cristais ou grãos, que têm diferentes
direções cristalográficas;
 Nas regiões onde estes grãos se encontram ocorre um desordenamento atômico. Elas são
chamadas de contorno de grão;
 Os átomos próximos à fronteira dos 3
grãos não têm um espaçamento uniforme
ou ordenamento.
Microestrutura do Pd (100x)
Contornos de Grão
• Ângulos de desalinhamento:
Ângulo de
desalinhamento
 Em
função
do
desalinhamento dos planos
atômicos entre os grãos
adjacentes, pode-se distinguir
os contornos de grão de
baixo e alto ângulo.
Alto ângulo
Baixo ângulo
Ângulo de
desalinhamento
Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)
 Uma macla separa duas regiões cristalinas que são, estruturalmente, imagens
espelhadas uma da outra.
Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)
• Maclas podem ser causadas por deformações do material, causadas por tensões
térmicas ou mecânicas;
• Ligas com memória de forma:
 Esse defeito é observado em materiais com memória de forma, que podem recuperar sua
forma original quando expostos a uma fonte de calor;
 As maclas desaparecem quando estes materiais são deformados e ressurgem quando
são aquecidos a altas temperaturas, recuperando sua forma original.
(a)
(b)
Microscopia de maclas em grão de bronze
Defeitos Interfaciais: Falha de Empacotamento
 Corresponde a interrupção de uma seqüência regular de empacotamento de planos
em uma rede cristalina
Defeitos em Volume
• Podem ser classificados como poros, fraturas ou inclusões:
• Poros: podem modificar substancialmente as propriedades ópticas, mecânicas e
térmicas de um material;
• Fraturas: podem afetar as propriedades mecânicas do material;
• Inclusões: podem modificar substancialmente as propriedades elétricas,
mecânicas e ópticas de um material;
poros
Fases secundárias
Inclusões
Heterogeneidade
(materiais multifásicos)
Exames Microscópicos
•
Microscopia
 Microscopia óptica
 Microscopia eletrônica de varredura
 Microscopia eletrônica de transmissão
 Microscopia óptica
• Microestrutura
 Tamanho de
grão
 Forma
Microscopia Óptica
• Determinação de tamanho de grão
 Tome uma micrografia de uma amostras polida, ampliada 100 X;
N=2
n-1
n = 1 + ln (N)/ln (2)
Onde:
N = número de grãos por polegada quadrada
n = tamanho de grão
• Determinação superfície de contorno de
grão por unidade de volume
 traça-se um círculo aleatoriamente
 Contam-se as intersecções
Sv = 2 PL,
PL = número de pontos de intersecção
Exames Microscópicos
 Microscopia Eletrônica (SEM)
Microscopia eletrônica de rocha lunar
Exames Microscópicos
 Microscopia Eletrônica (TEM)
Microscopia eletrônica
de transmissão de um
cristal de níquel
Discordâncias