imperfeições em sólidos e propriedades dos materiais

Imperfeições em Sólidos

Centro Universitário Estadual da Zona Norte – UEZO Tecnologia em Construção Naval

Introdução a Ciências dos Materiais

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 e 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

Mesmo sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem sempre de forma negativa.

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 = concentração de vazios

Nv= número de vazios

N= número total de sítios atômicos

Qv= energia requerida para formação de vacâncias K= constante de Boltzman = 1,38x10-23 J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K

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.

Intersticiais

Átomo intersticial pequeno.

Átomo intersticial grande. Gera maior distorção na rede.

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.

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 SEMI-plano extra de átomos

O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha da discordância

Envolve zonas de tração e compressão

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.

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.

Como se observa as discordância

Diretamente → microscopia eletrônica de transmissão (MET)

Indiretamente → microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia óptica (após ataque químico seletivo)

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.

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

Maclas ou Twins

Defeitos de empilhamento

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.

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.

Contornos de macla (“twin”)

Uma macla separa duas regiões cristalinas que são, estruturalmente, imagens espelhadas uma da outra. 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.

Defeitos de Empilhamento

Corresponde a interrupção de uma seqüência regular de empacotamento de planos em uma rede cristalina.

Defeitos Volumétricos

Defeitos volumétricos

Propriedades dos Materias

Propriedades Mecânicas dos Materiais

As principais propriedades mecânicas são:

Tipos de tensões que uma estrutura está

sujeita

Como determinar as propriedades

mecânicas?

A determinação das propriedades mecânicas é feita

através de ensaios mecânicos. Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra

representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal.

Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.

Normas Técnicas

As normas técnicas mais comuns são elaboradas pelas:

American Society for

Testing and Materials

Testes mais comuns para se determinar as

propriedades mecânicas dos metais

Deformação

• A deformação pode ser:

Deformação Elástica e Plástica

1- Deformação Elástica

Módulo de elasticidade ou Módulo de Young

Módulo de Elasticidade para alguns metais

Módulo de Elasticidade

Comportamento não-linear

2- Deformação Plástica

Deformação Plástica

Sistema de Escorregamento

Deformação plástica de material policristalino

Deformação plástica de material

policristalino

Mecanismos de Aumento de Resistência


- Aumento da resistência pela redução do tamanho do grão:


- Aumento de resistência por solução sólida:


- Aumento de resistência por encruamento:

Trabalho a frio.


- Um metal cristalino contém em média 106 a 108 cm de discordâncias por cm³, enquanto que um metal severamente encruado apresenta cerca de 1012 cm de discordâncias por cm³. A estrutura característica do estado encruado, examinada ao microscópio eletrônico, apresenta dentro de cada grão regiões pobres em discordâncias, cercadas por um emaranhado altamente denso de discordâncias nos planos de deslizamento.

- Como o encruamento não é aliviado, a tensão aumenta com a deformação. Assim, a deformação total - que é possível de se obter sem causar fratura - é menor que no trabalho a quente e a morno - exceto quando se realizam tratamentos térmicos de recozimento para aliviar os efeitos do encruamento. - O encruamento (em inglês, strain hardening), que acompanha o trabalho a frio, é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras – como contornos de grão – que impedem o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica produz também um aumento no número de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de tensão interna na rede cristalina.

Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão

- RECUPERAÇÃO

- RECRISTALIZAÇÃO

- CRESCIMENTO DE GRÃO

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