ASSUNTO
1- IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS
- Defeitos pontuais
- Defeitos de linha (discordâncias)
- Defeitos de interface (grão e
maclas)
- Defeitos volumétricos (inclusões,
precipitados)
1
O QUE É UM DEFEITO?
É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo
periódico regular dos átomos em um cristal.
Pode 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 material foi
processado.
2
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
Apenas uma pequena fração dos sítios
(ou posições) atômicos são imperfeitos
Menos de 1 em 1 milhão
Menos sendo poucos eles influenciam
muito as propriedades dos materiais e
nem sempre de forma negativa
3
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
- IMPORTÂNCIADEFEITOS
INTRODUÇÃO
SELETIVA
CONTROLE
DO NÚMERO
ARRANJO
Permite desenhar e criar novos materiais
com a combinação desejada de propriedades
4
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
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
o A deformação mecânica dos materiais promove a
formação de imperfeições que gera um aumento na
resistência (processo conhecido como encruamento)
o Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo
discordâncias) apresentam resistência maior que
70GPa, enquanto o ferro comum rompe-se a
aproximadamente 270MPa.
o
5
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
São classificados de acordo com sua
geometria ou dimensões
6
IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS
Defeitos Pontuais
associados c/ 1 ou 2
posições atômicas
Defeitos lineares
uma dimensão
Defeitos planos ou interfaciais
Defeitos volumétricos
(fronteiras) duas
dimensões
três dimensões
7
1- DEFEITOS PONTUAIS
Vacâncias ou vazios
Átomos Intersticiais
Schottky
Ocorrem em sólidos iônicos
Frenkel
8
1- DEFEITOS PONTUAIS
influem principalmente as propriedades
ópticas e elétricas dos materiais;
influem em processos como difusão,
transformação de fases, fluência, etc…
Átomos de soluto geram defeitos
ponstuais
9
VACÂNCIAS OU VAZIOS
Envolve a falta de um
átomo
São formados durante
a solidificação do
material cristalino ou
como resultado das
vibrações atômicas (os
átomos deslocam-se de
suas posições normais)
A energia livre do
material depende do
número ou
concentração de
vacâncias presentes
10
VACÂNCIAS OU VAZIOS EM
EQUILÍBRIO
O número de vacâncias aumenta
exponencialmente com a temperatura
Nv= N exp (-Qv/KT)
Nv= número de vacâncias
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
11
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 uma vacância,
por isso este defeito é
menos provável que uma
vacância
12
INTERSTICIAIS devido a adição
de soluto
Átomo intersticial grande
Átomo intersticial pequeno
Gera maior distorção na rede
13
FRENKEL
Ocorre em sólidos
iônicos
Ocorre quando um
íon sai de sua
posição normal e vai
para um interstício
14
SCHOTTKY
Presentes em
compostos que tem
que manter o
balanço de cargas
Envolve a falta de
um ânion e/ou um
cátion
15
CONSIDERAÇÕES GERAIS
Vazios e Schottky favorecem a difusão
Estruturas de empacotamento fechado tem
um menor número intersticiais e Frenkel
que de vazios e Schottky
Porque é necessária energia adicional para
forçar os átomos para novas posições
16
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
17
LIGAS METÁLICAS
-
-
Algumas 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.
18
A ADIÇÃO DE ELEMENTOS
DE LIGA PODE FORMAR
Soluções sólidas
Segunda fase
% elemento < limite
de solubilidade
% elemento > limite
de solubilidade
A solubilidade depende :
Temperatura
Tipo de elemento (ou impureza)
Concentração do elemento (ou impureza)
19
Termos usados
Elemento de liga ou Impureza
soluto (< quantidade)
Matriz ou
Hospedeiro
solvente
(>quantidade)
20
SOLUÇÕES SÓLIDAS
A estrutura cristalina do material que
atua como matriz é mantida
21
SOLUÇÕES SÓLIDAS
Nas soluções sólidas as impurezas ou
elementos de liga podem ser do tipo:
- Intersticial
- Substitucional
Ordenada
Desordenada
22
SOLUÇÕES SÓLIDAS
INTERSTICIAIS
INTERSTICIAL
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
23
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
24
INTERSTICIAIS NA CCC E
CFC
Nessas estruturas existem 2 tipos de
intersticiais, um sítio menor e um maior
A impureza geralmente ocupa o sítio
maior
25
INTERSTICIAIS NA CFC
Existem 13 posições
intersticiais
(octaedros- formados
por 6 átomos) e 8
posições intersticiais
(tetraedros formados
por 4 átomos)= 21
O Sítio maior é o
octaédrico
26
INTERSTICIAIS (octaedros)
NA CFC
Existem 13 posições intersticiais
(octaedros)
1 Centro do octaedro
de coordenadas (½, ½, ½)
12 localizado no centro
das arestas (½, 0,0)
27
INTERSTICIAIS (tetraedros)
NA CFC
Existem 8 posições intersticiais
(tetraedros)
1 Centro do tetraedro
de coordenadas (1/4, 1/4, 1/4)
28
Calcule o raio da impureza que se ajusta
perfeitamente no sítio intersticial maior
(octaédrico) para a estrutura cfc
r= 0,41R
29
INTERSTICIAIS NA CCC
Existem 18
posições
intersticiais
(octaedros) e 24
posições
intersticiais
(tetraedros)= 42
O Sítio maior é o
tetraédrico
30
INTERSTICIAIS (octaedro)
NA CCC
Existem 18 posições
intersticiais (octaedro)
6 Centro das faces
posições (½, ½, 0)
12 Centro
de arestas (½, 0,0)
31
INTERSTICIAIS (tetraedros)
NA CCC
Existem 24 posições
intersticiais
(tetraedros)
4 tetraedros
Para cada uma das seis faces
(1/2, 1/4, 0)
32
Calcule o raio da impureza que se ajusta
perfeitamente no sítio maior (tetraédrico) para a
estrutura ccc
r= 0,29R
33
Carbono intersticial no Ferro
O carbono é mais
solúvel no Ferro
CCC ou CFC,
considerando a
temperatura
próxima da
transformação
alotrópica?
ccc
cfc
34
Carbono intersticial no Ferro cccferrita
Na ferrita os
espaços intersticiais
são menores
rFe= 0,124 nm
rC= 0,071 nm
Espaço intersticial octraédrico= 0,019 nm
 - 0,052 nm
rFe= 0,124 nm
rC= 0,071 nm
Espaço intersticial tetraédrico= 0,035 nm
 - 0,036 nm
ccc
35
Carbono intersticial no Ferro cfcaustenita
rFe= 0,124 nm
rC= 0,071 nm
Espaço intersticial octraédrico= 0,052 nm
 - 0,019 nm
cfc
36
SOLUBILIDADE DO CARBONO
NO FERRO
Apesar da célula unitária CCC
apresentar diversas posições
intersticiais, a solubilidade de carbono
no Fe é maior em células CFC, pois as
mesmas concentram o espaço vazio da
célula, nas posições intersticiais
octaédricas.
37
INTERSTICIAIS NA HC
Existem 6 posições
intersticiais
(octaedros) e 8
posições
intersticiais
(tetraedros)= 14
O Sítio maior é o
octaédrico
38
INTERSTICIAIS (octaedros)
NA HC
Existem 6 posições intersticiais (octaedros)
39
INTERSTICIAIS (tetraedros)
NA HC
Existem 8 posições intersticiais (tetraedros)
40
SOLUÇÕES SÓLIDAS
SUBSTITUCIONAIS
(TIPOS)
SUBSTITUCIONAL
ORDENADA
SUBSTITUCIONAL
DESORDENADA
41
SOLUÇÕES SÓLIDAS
SUBSTITUCIONAIS
As soluções sólidas substitucionais
formam-se mais facilmente quando o
elemento de liga (impureza) e matriz
apresentam estrutura cristalina e
dimensões eletrônicas semelhantes
42
FATORES QUE DETERMINAM A FORMAÇÃO
DE SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS
REGRA DE HOME-ROTHERY
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
43
EXEMPLO DE SOLUÇÃO SÓLIDA
SUBSTICIONAL
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
44
2- DEFEITOS LINEARES:
DISCORDÂNCIAS
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
45
2- DEFEITOS LINEARES:
DISCORDÂNCIAS
Podem ser:
- Cunha
- Hélice
- Mista
46
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
47
2.1- DISCORDÂNCIA EM
CUNHA
Envolve um SEMIplano extra de
átomos
O vetor de Burger é
perpendicular à
direção da linha da
discordância
Envolve zonas de
tração e
compressão
48
DISCORDÂNCIAS EM
CUNHA
Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ
49
DISCORDÂNCIAS EM
CUNHA
Fonte: Prof. Sidnei, DCMM, PUCRJ
50
2.2- DISCORDANCIA EM
CUNHA (Tensões)
Campo de tensões
envolve componentes de
tração e compressão
51
2.2- DISCORDANCIA EM
HÉLICE
Produz distorção na
rede
O vetor de burger é
paralelo à direção
da linha de
discordância
52
DISCORDANCIA EM HÉLICE
53
2.2- DISCORDANCIA EM
HÉLICE
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE
UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS
SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENT SUPERFICIAIS.
(Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).
54
2.2- DISCORDANCIA EM
HÉLICE (Tensões)
Campo de tensões é simétrico e
paralelo ao vetor de burger (não
envolve componentes de tração ou
compressão)
55
Energia e Discordâncias
A energia associada a uma discordância
depende do vetor de Burger (varia com o
quadrado do vetor de Burger)
Discordância com alto vetor de Burger tende
a se dissociar em duas ou mais
discordâncias de menor vetor de Burger
(como o vetor é menor que o vetor da rede é
chamado de falha de empilhamento-stacking
fault)
56
Dissociação de Discordâncias
stacking fault
A reação de dissociação é energeticamente favorável se:
b12 > b22 + b32
57
Exercício 15
O vetor de Burger (b) para estruturas cúbicas de
face centrada (CFC) e cúbica de corpo centrado
(CCC) pode ser expresso como:
b= a/2 [hkl]
onde [hkl] é a direção cristalográfica de maior
densidade atômica.
Quais são as representações para o vetor de
Burgers para as estruturas CFC e CCC?
Se a magnitude do vetor de de Burges bé igual
a a/2 (h2+k2+l2)1/2, determine o valor de bpara o
Alumínio.
58
OBSERVAÇÃO DAS
DISCORDANCIAS
Diretamente
TEM ou HRTEM
Indiretamente
SEM e
microscopia óptica (após ataque
químico seletivo)
59
DISCORDÂNCIAS NO TEM
60
DISCORDÂNCIAS NO
HRTEM
61
DISCORDÂNCIAS NO
HRTEM
62
FIGURA DE ATAQUE PRODUZIDA
NA DISCORDÂNCIA VISTA NO SEM
Plano (111) do InSb
Plano (111) do GaSb
63
MOVIMENTO DE
DISCORDÂNCIAS
GLIDE: ocorre a
baixas temperaturas
e envolve quebra de
ligações localizadas.
A discordância se
move no plano que
contém a linha de
discordância e o
vetor de burger
64
MOVIMENTO DE
DISCORDÂNCIAS
CLIMB: ocorre a altas
temperaturas (pois
ocorre por difusão e
migração de vacâncias)
e envolve adição e
remoção de átomos do
semi-plano extra. A
discordância se move
perpendicular ao plano
que contém a linha de
discordância e o vetor
de burger
65
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
66
CONSIDERAÇÕES GERAIS
A densidade das discordâncias depende da
orientação cristalográfica, pois o
cisalhamento se dá mais facilmente nos
planos de maior densidade atômica
As discordâncias geram vacâncias
As discordâncias influem nos processos de
difusão
A formação de discordâncias contribuem
para a deformação plástica
67
3- DEFEITOS PLANOS
OU INTERFACIAIS
Envolvem fronteiras (defeitos em duas
dimensões) e normalmente separam
regiões dos materiais de diferentes
estruturas cristalinas ou orientações
cristalográficas
68
3- DEFEITOS PLANOS
OU INTERFACIAIS
Superfície externa
Contorno de grão
Fronteiras entre fases
Maclas ou Twins
Defeitos de empilhamento
69
3.1- DEFEITOS NA
SUPERFÍCIE EXTERNA
É o mais óbvio
 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 esta
energia
 A energia superficial é expressa em
erg/cm2 ou J/m2)

70
3.2- CONTORNO DE GRÃO

Corresponde à região que separa dois ou
mais cristais de orientação diferente
um cristal = um grão

No interior de cada grão todos os átomos estão
arranjados segundo um único modelo e única
orientação, caracterizada pela célula unitária 71
Monocristal e Policristal
Monocristal: Material com apenas uma orientação
cristalina, ou seja, que contém apenas um grão
Policristal: Material com mais de uma orientação
cristalina, ou seja, que contém vários grãos
72
LINGOTE DE ALUMÍNIO
POLICRISTALINO
73
GRÃO
A forma do grão é controlada:
- pela presença dos grãos circunvizinhos
O tamanho de grão é controlado
- Composição química
- Taxa (velocidade) de cristalização ou
solidificação
74
FORMAÇÃO DOS GRÃOS
A forma do grão é controlada:
- pela presença dos grãos
circunvizinhos
O tamanho de grão é
controlado
- Composição
- Taxa de cristalização ou
solidificação
75
CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE
CONTORNO DE GRÃO
Há um empacotamento ATÔMICO menos
eficiente
Há uma energia mais elevada
Favorece a nucleação de novas fases
(segregação)
Favorece a difusão
O contorno de grão ancora o movimento das
discordâncias
76
Discordância e Contorno de Grão
A passagem de uma discordância através do
contorno de grão requer energia
DISCORDÂNCIA
O contorno de grão ancora o movimento das discordância pois
constitui um obstáculo para a passagem da mesma, LOGO
QUANTO MENOR O TAMANHO DE GRÃO
77
.........A RESISTÊNCIA DO MATERIAL
CONTORNO DE PEQUENO
ÂNGULO
Ocorre quando a
desorientação dos
cristais é pequena
É formado pelo
alinhamento de
discordâncias
78
OBSERVAÇÃO DOS GRÃOS
E CONTORNOS DE GRÃO
Por microscopia (ÓTICA OU ELETRÔNICA)
utiliza ataque químico específico para
cada material
O contorno geralmente é mais reativo
79
GRÃOS VISTOS NO
MICROSCÓPIO ÓTICO
80
TAMANHO DE GRÃO
O tamanho de grão influi nas propriedades
dos materiais
Para a determinação do tamanho de grão
utiliza-se cartas padrões
ASTM
ou
ABNT
81
DETERMINAÇÃO DO
TAMANHO DE GRÃO (ASTM)
Tamanho: 1-10
Aumento: 100 X
Quanto maior o número menor o
tamanho de grão da amostra
N= 2 n-1
N= número médio de grãos por polegada
quadrada
n= tamanho de grão
82
Existem vários softwares comerciais
de simulação e determinação do
tamanho de grão
83
CRESCIMENTO DO GRÃO
com a temperatura
Em geral, por questões termodinâmicas (energia)
os grãos maiores crescem em
detrimento dos menores
84
3.3- TWINS
MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
É um tipo especial de
contorno de grão
Os átomos de um lado
do contorno são
imagens especulares
dos átomos do outro
lado do contorno
A macla ocorre num
plano definido e numa
direção específica,
dependendo da
estrutura cristalina
85
ORIGENS DOS TWINS
MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
O seu aparecimento
está geralmente
associado com A
PRESENÇA DE:
- tensões térmicas e
mecânicas
- impurezas
- Etc.
86
4- IMPERFEIÇÕES
VOLUMÉTRICAS
São introduzidas no processamento do
material e/ou na fabricação do
componente
87
4- IMPERFEIÇÕES
VOLUMÉTRICAS
- Inclusões
- Precipitados
Impurezas estranhas
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
88
Inclusões
INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%)
LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C.
89
Inclusões
SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO.
90
Porosidade
As figuras abaixo apresentam a superfície de ferro puro durante o seu
processamento por metalurgia do
pó. Nota-se que, embora a sinterização tenha diminuído a quantidade
de poros bem como melhorado
sua forma (os poros estão mais arredondados), ainda permanece uma
porosidade residual.
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
91
EXEMPLOS 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).
92
microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg mostrando diversas fases
precipitadas
93
Micrografia da Liga
Al-3,5%Cu no Estado Bruto de Fusão
94