Aula 06 – Ciências dos
Materiais
Estrutura Cristalinas dos Metais e
Defeitos – Parte I*
Figuras e estruturas dos defeitos baseadas na aula Profa Eleani Maria da Costa- DEM/PUCRS disponibilizada em rede
virtual pública.
Fator de Empacotamento para um
metal de raio r
N de átomos
o
por célula
• Cúbico simples:
FEA = 4/3πr3
como a=2r
FEA=0,52
1
FEA = 4/3πr3
como a=4r/√3
a3
• Cúbico de Face Centrada:
FEA=0,68
2
FEA = 4/3πr3
FEA=0,74
4
a3
• Cúbico de Corpo Centrado:
a3
como a=2r/√2
Cálculo da densidade teórica de
um sólido metálico
ρ = nPA
VCNA
Onde:
n= número de átomos por célula unitária
PA= peso atômico
VC= volume da célula unitária
NA = número de Avogrado (6,02x1023)
Exercícios
• Calcule o raio de um
átomo de tântalo
sabendo que o Ta
possui uma estrutura
cristalina CCC, uma
massa
específica
(densidade)
de
16,6g/cm3 e um peso
atômico de 180,9
g/mol.
Exercícios
• O Nióbio possui um raio atômico de 0,143
nm e uma massa específica de 8,57g/cm3.
Determine se ele possui uma estrutura
cristalina CFC ou CCC. Peso atômico
=92,9g/mol.
ρ = nPA
VCNA
Exercícios
• O raio atômico do Pb
vale 0,175nm, calcule
o volume de sua
célula unitária em m3
sabendo que o Pb
apresenta estrutura
cristalina CFC.
Defeitos Cristalinos – o que é um
defeito? Devem ser evitados?
• - Defeitos pontuais
• - Defeitos de linha
(discordâncias)
• - Defeitos de interface
(grão e maclas)
• - Defeitos volumétricos
(inclusões, precipitados)
• É uma imperfeição no arranjo periódico
regular dos átomos em um cristal.
• Podem envolver uma irregularidade na
posição dos átomos e no tipo de átomos
• O tipo e o número de defeitos dependem:
- da constituição química do material
- das circunstâncias sob as quais o
material é processado.
Tipos de Defeitos: classificados de acordo com sua
geometria ou dimensões
• Defeitos Pontuais
associados c/ 1 ou 2
posições atômicas
•
• Defeitos lineares
uma dimensão
• Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras)
duas dimensões
• Defeitos volumétricos
três dimensões
Nem sempre é Maléfico
DEFEITOS
INTRODUÇÃO
SELETIVA
CONTROLE
DO NÚMERO
ARRANJO
Permite desenhar e criar novos materiais
com a combinação desejada de propriedades
Casos Positivos
•
O processo de dopagem em semicondutores:
mudança no tipo de condutividade
•
A deformação mecânica dos materiais promove a formação
de imperfeições:
geram um aumento na resistência mecânica
(processo encruamento):
•
Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias):
resistência maior que 70GPa
ferro comum r 270MPa.
Defeitos Pontuais
• Vacâncias ou vazios
• Átomos Intersticiais
Schottky
Frenkel
Ocorrem em sólidos iônicos
Defeitos Pontuais: visão geral
Defeitos Pontuais: vacâncias ou lacunas
• 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).
Defeito Pontual: vacâncias ou vazios
• O número de vacâncias aumenta
exponencialmente com a temperatura
Nv= N exp (-Qv/KT) lacunas/m3
Nv= número de vacâncias
N= número total de sítios por unidade de volume
N= NAρ
Qv= energia requerida para formação de vacâncias
PA
K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou
Onde: NA=no avogrado;
8,62x10-5 eV/ at.K
ρ = densidade e PA=
peso atômico
Cálculo de lacunas a uma dada T
• Calcule o no de lacunas em equilíbrio por
m3 de Cu, a 1000oC. A energia para
formação de uma lacuna é de 0,9
eV/atomo.
PA: 63,5 g/mol
ρ= 8,4 g/cm3 (T=1000oC)
NAVOG= 6,02x1023 atomos/mol
Defeito Intersticial
Átomo intersticial grande
Gera maior distorção na rede
Átomo intersticial pequeno
Defeito Intersticial
• 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 uma vacância, por
isso este defeito é menos
provável que uma vacância
Defeitos Pontuais
Defeitos Pontuais
FRENKEL
• Ocorre em sólidos
iônicos
• Ocorre quando um
íon sai de sua
posição normal e vai
para um interstício
SCHOTTKY
• Presentes em
compostos que tem
que manter o balanço
de cargas
• Envolve a falta de
um ânion e/ou um
cátion
Superfície metálica: microscópia eletrônica de
tunelamento ou microscopia de força atômica
Em níveis de monocamadas nem sempre o elemento de liga provoca
Aparecimento de de defeitos.
Superfície (111) do ouro (estrutura
CFC)
adição uma monocamada de
cobre
A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR
• Soluções sólidas
• Segunda fase
[átomos] < limite de
solubilidade
[átomos] > limite de
solubilidade
A solubilidade depende :
• Temperatura
• Tipo de impureza
• Concentração da impureza
IMPUREZAS NOS SÓLIDOS
• As impurezas (chamadas elementos de
liga) são adicionadas intencionalmente
com a finalidade:
• aumentar a resistência mecânica
• aumentar a resistência à corrosão
• aumentar a condutividade elétrica
• etc.
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
Terminologia
• Elemento de liga
soluto (< quantidade)
(ou impureza)
• Matriz
(ou hospedeiro)
solvente(>quantidade)
Especificação da Composição
•
Composição de uma liga em termos de
seus elementos constituintes:
porcentagem em peso (ou massa)(%p)
porcentagem atômica (no átomos) (%a)
Exercícios
• Uma liga contém 80% em peso de Al e 20% em
peso de Mg. Qual a porcentagem atômica de
cada um na liga?
• Suponha que 20% dos átomos de Cu são
substituídos por Al em um bronze de alumínio.
Quais porcentagens de peso que estão
presentes?
PA: Mg- 24,3 g/mol; Al- 26,98 g/mol; Cu- 63,54g/mol
Nv= 6,02x1023 atomos/mol