unidade iv - imperfeições em sólidos

7/25/2019 Unidade IV - Imperfeies Em Slidos

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FACULDADE FANOR

DeVry

Brasil

Curso de Engenharia

Disciplina: Cincia dos Materiais

UNIDADE IV

Imperfeies em slidos

Fortaleza 2015


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INTRODUO

Conhecer as imperfeies nos arranjos

cristalinos;

Tipos de imperfeies ;

Importncia dos defeitos e sua

importncia nas propriedades dos

materiais.


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4.1 Introduo ao defeitos cristalinos

DEFEITOS EM SLIDOS CRISTALINOS

so desvios em relao estrutura de

um cristal perfeito, descontinuidades ou irregularidades da rede cristalina.

Estas irregularidades podem ser:

NA POSIO DOS TOMOS.

NO TIPO DE TOMOS.

O tipo e o nmero de defeitos dependem do material, do meio ambiente e

das condies de processamento do material.

De acordo com a geometria (dimensionalidade), so classificados em:

PONTUAIS (dimenso zero).

LINEARES (unidimensionais).

INTERFACIAIS (bidimensionais).

VOLUMTRICOS (tridimensionais).

Materiais para Construo Mecnica

Imperfeies em Slidos Cristalinos

04


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4.2 Defeitos Pontuais Vacncia e Auto-intersticiais

Os defeitos pontuais normalmente encontrados nos metais so: LACUNA OU VACNCIA: posio vazia na rede cristalina;

Formam-se durante a solidificao ou como resultado do deslocamento dostomos de suas posies normais (VIBRAES ATMICAS).

O nmero de lacunas existentes em um material aumentaexponencialmente com a temperatura segundo a expresso:

05

Texp

kQNN vv

Onde:Nv: nmero de lacunas.N: nmero total de posies na rede.Qv: energia necessria para se criar uma lacuna.T: temperatura absoluta [K].k: constante de Boltzmann (1,38x10-23 J/tomoK ou

8,62x10

-5

eV/tomoK).


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AUTO-INTERSTICIAL: tomo da prpria rede ocupando

um interstcio. Ocorre em freqncia muito menor do

que a lacuna por gerar maiores deformaes na redecristalina do material.

05


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06

Lacuna

Auto-intersticial

tomo de impureza

substitucional

tomo de impurezaintersticial



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SOLUO: inicialmente, determina-se o nmero N de stiosatmicos em V = 1 m3 = (1 m)3 = (102 cm)3 = 106 cm3:



08

Calcule o nmero de lacunas em equilbrio/m3 de cobre a 1000 C. A energia para aformao de uma lacuna 0,9 eV/tomo. O peso atmico e a densidade (a 1000 C)para o cobre so 63,5 g/mol e 8,4 g/cm3, respectivamente.

AVN

AN

3283623

3 tomos/cm100,8g/mol63,5

cm10tomos/mol10023,6g/cm4,8

NN

Ento, para T = 1000 C = 1000 + 273 K = 1273 K:

K1273eV/K108,62

eV9,0exptomos/cm100,8

Texp

5-

328

vv

v Nk

QNN

325 lacunas/cm102,2 vN

A

VNAN

Nv/N = 2,2 1025/ 8,0 1028

Nv/N ~ 0,0275% dos stios atmicos ESTO VAZIOS.



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Impurezas ou tomos estranhos estaro SEMPRE presentes nos materiais de uma forma

geral.

IMPOSSVEL obter um METAL PURO constitudo por apenas um tipo de tomo. Com

pureza de 99,9999%, h ~ 1022

a 1023

tomos/m3

. Nas LIGAS, os tomos de impurezas so adicionados para se conferir caractersticas

especficas aos materiais: aumentar a resistncia mecnica, corroso, a condutividade

eltrica. Exemplo: liga DURALUMNIO (96% Al + 4% Cu) 10 VEZES MAIS RESISTENTE

MECANICAMENTE do que o alumnio puro, sendo empregada na indstria aeronutica. A adio de tomos de impureza a um metal pode resultar em uma SOLUO SLIDA e/ou

em uma NOVA FASE. No primeiro caso, fala-se em SOLVENTE (elemento em maior

concentrao) e SOLUTO (elemento em menor concentrao).



09

4.3 Impurezas em slidos


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10

Soluo slida: ao com0,06%p de C

Duas fases:ao com1,4%p de C

4.3 Impurezas em slidos


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Podem ser de dois tipos:

SUBSTITUCIONAIS: os tomos do soluto (impureza) tomam o lugar dos tomos do

solvente (TOMOS HOSPEDEIROS). Exemplo: Cu + Zn.

INTERSTICIAIS: os tomos de impureza ocupam os interstcios entre os tomos dosolvente. O raio atmico do soluto deve ser substancialmente menor do que o do

solvente. Concentrao mxima:


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O raio do interstcio existente no centro de cada face da clula CCC pode ser

determinado como se segue. Dados: raio atmico do ferro e do carbono, RFe =0,124 nm = 1,24 e RC = 0,071 nm = 0,71 . Das figuras abaixo, segue-se:



12

Para a clula CCC, , logo:

FeR

2

r a

int

3

4RFea

rint

Plano (200)

a/2

RFe 3

R32R

3

2Rr FeFe

Fe int

A0,193

A1,2432r int

Rc/rint = 0,71/0,19 = 3,7, o que explica a baixssima solubilidade doC no Fe- (mxima de 0,022%p a 727C)

Exemplo


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Grau de mistura entre soluto e solvente, depende:

1. TAMANHOS SEMELHANTES: raios atmicos no podem diferir emmais do que 14-15%.

2. MESMA ESTRUTURA CRISTALINA.

3. ELETRONEGATIVIDADE SEMELHANTE.

4. MESMO NMERO DE VALNCIA.



13

4.3 Impurezas em slidos Hume-Rothery


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Especifica a composio pelas formas a seguir: % em peso (%p) (kg do componente/kg da mistura):

Onde m1 e m2 representam, respectivamente, o peso (ou massa)doselementos 1 e 2.

% molar/atmica (n de moles do componente/n de moles da mistura):

Onde nm1 e nm2 representam, respectivament, o n de moles dos elementos

1 e 2.



15

100

mm

mC

21

11

1

1m1

A

'mn

4.3 Impurezas em slidos Especificao dacomposio

100nn

nC'

m2m1

m11


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4.3 Impurezas em slidos Composies de ligasbinrias: converses

Porcentagem em peso PARA porcentagem atmica:

Porcentagem atmica PARA porcentagem em peso:

16

100

1A2C2A1C

2A1C

1C'

100

1A2C2A1C

1ACC 2

2

'

100

1A2C2A1C

2A1C

1C

''

'100

1A2C2A1C

1AC'C 2

2

''


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Porcentagem em peso PARA massa por unidade de volume (kg/m3):

Onde C a massa do componente/volume da mistura, a densidade docomponente (em kg/m3).



17

3

2

2

1

1

11"

10

C

C

CC

3

2

2

1

1

22"

10

C

C

CC

4.3 Impurezas em slidos Composies de ligasbinrias por volume de material


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DENSIDADE PESO ATMICO



18

2

2

1

1med

C

C

100

2

2

'

2

1

1

'

1

2'21

'1

med

AC

AC

ACAC

2

2

1

1med

A

C

A

C

100A

100

ACACA 2

'21

'1

med

4.3 Impurezas em slidos Determinao de densidadee peso a partir da composies de ligas binrias


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DISCORDNCIA: defeito unidimensional em torno do qual h um

desalinhamento de tomos.

ORIGEM: solidificao, deformao plstica, tenses trmicas (resfriamento

rpido).

Responsveis pela deformao plstica de slidos cristalinos

(especialmente metais).

TIPOS DE DISCORDNCIAS Aresta.

Espiral.

Mista.20



4.4 Discordncias Defeitos lineares


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Corresponde aresta de um semiplano adicional de tomos. representada pelo smbolo .

Gera tenses de trao/compresso na rede.

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4.4 Discordncias tipo Aresta


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Os tomos formam uma trajetria helicoidal em tornoda linha da discordncia.

23

4.4 Discordncias tipo espiral


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Apresenta caractersticas de discordncias aresta e espiral.

24



4.4 Discordncias tipo mista espiral +aresta


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Em um cristal perfeito, os pontos inicial de final de um circuito de mxn distncias

atmicas coincidem.

O VETOR DE BURGERS o vetor necessrio para se fechar um circuito traado em

torno de uma discordncia, ligando o ponto final ao inicial.



25

5

5

4

4

545

4

Cristal perfeito Cristal com discordncia emaresta

4.4 Discordncias Vetor de Burgers


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O vetor de Burgers constante. Sua magnitude igual distncia interatmica.

Caracteriza a natureza da discordncia (aresta, hlice ou mista):

ARESTA: o vetor perpendicular linha de discordncia.

ESPIRAL: o vetor paralelo linha de discordncia.

MISTA: o vetor no perpendicular, nem paralelo linha de discordncia.

(a) (b) (c)



26

4.4 Discordncias Vetor de Burgers


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Tecnologia dos Materiais

Defeitos em Slidos Cristalinos

Deformao plstica refere-se a mudana irreversvel de forma, que

permanece mesmo aps a remoo que causou a deformao;

Deformao elstica mudana temporria de forma, relacionada ao

estiramento das ligaes atmicas;

Deformao plstica movimento das discordncias;

Deslizamento realizado pelas discordncias proporciona ductilidade do

material;

O aumento das discordncias dificulta seu movimento, aumentando a

resistncia do material;

Observaes das discordncias


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So contornos que possuem duas dimenses e, normalmente,

separam regies dos materiais de DIFERENTES ESTRUTURAS

CRISTALINAS e/ou ORIENTAES CRISTALOGRFICAS.

Essas imperfeies incluem, entre outros:

Superfcie externa.

Contorno de gro.

Contorno de macla.

Falhas de empilhamento.

Fronteiras entre fases. 28



4.5 Defeitos Interfaciais


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o tipo de contorno (defeito planar) mais bvio, ao longo do qual termina aestrutura do cristal.

Na superfcie, os tomos no esto ligados ao nmero mximo de vizinhos maisprximos. Isto implica que esto em um estado energtico maior do que o dostomos do interior do cristal.

Esta energia adicional gera uma ENERGIA DE SUPERFCIE (J/m2).

29

tomo normal

tomo com maior energia



4.5 Defeitos Interfaciais Superfcies externas


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Materiais POLICRISTALINOS so formados por um grande nmero de cristais comdiferentes orientaes cristalogrficas (GROS). Cada cristal formado por inmerasclulas unitrias.

CONTORNO DE GRO: superfcie que separa dois cristais adjacentes. Essa fronteira um defeito bidimensional.

No interior do gro todos os tomos esto arranjados segundo umNICO MODELO e

NICA ORIENTAO, caracterizada pela clula unitria.

De modo semelhante superfcie, os tomos do contorno de gro possuem um estadoenergtico mais elevado do que os tomos do interior do gro. Por isso eles so MAIS

QUIMICAMENTE REATIVOS.

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GRO = CRISTAL

4.5 Defeitos Interfaciais Contornos de gro


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Mudanas de fase e segregao de tomos de impureza ocorrem

preferencialmente ao longo do contorno de gro.

GROS GRANDES MENOR REA DO CONTORNO DE GRO MENOR

ENERGIA SUPERFICIAL.

GROS PEQUENOS MAIOR REA DE CONTORNO DE GRO MAIORENERGIA INTERFACIAL.

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um tipo especial de contorno de gro, onde existe uma simetria emESPELHO da rede cristalina: Os tomos de um lado do contorno soIMAGENS dos tomos do outro lado do contorno.

A macla ocorre num plano definido e numa direo especfica, conforme aestrutura cristalina.

Formam-se pela aplicao de tenso

mecnica (MACLAS DE DEFORMAO)ou em tratamentos trmicos de recozimento

(MACLAS DE RECOZIMENTO).



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Plano de macla (twinplane)



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So normalmente introduzidos durante oprocessamento e a fabricao do material.

Tipos:

POROS.

TRINCAS.

OUTRAS FASES.

INCLUSES.

37

Incluses de xido de cobre (Cu2O) emcobre de alta pureza (99,26%)

4.6 Defeitos Volumtricos ou de massa


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Os tomos de todo material slido a uma temperatura acima de 0 K

no esto em repouso, mas sim VIBRANDO em torno de posies

mdias.

A uma dada temperatura, nem todos os tomos esto vibrando com

a mesma freqncia e amplitude.

FREQNCIA TPICA TEMPERATURA AMBIENTE: 1013 vibraes/s,com amplitude de poucos milsimos de nanmetro



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4.7 Vibraes atmicas


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Imagem no

microscpioMicroscpio

Ranhura

Superfcie

polida eatacada

4.9 Microscopia microscopia tica

Preparao: lixamento, polimento, ataque;


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41

MICROSCOPIA ELETRNICA: utiliza feixe de eltrons ao invs de

radiao luminosa.

MICROSCOPIA ELETRNICA DE TRANSMISSO (MET)

Ampliaes de at 1.000.000X

MICROSCPIO ELETRNICO DE VARREDURA (MEV)

Ampliaes de 10 a mais de 50.000X

MICROSCPIO COM SONDA DE VARREDURA (MSV)

Gera imagens tridimensionais

Ampliaes de at 109X

4.8 Vibraes atmicas


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Determinao do dimetro do gro (MTODO DOS INTERCEPTOS)

Onde:d: dimetro mdio do gro.

L: comprimento da linha.n: nmero de gros interceptados pela linha.A: ampliao linear da imagem.

Tamanho do gro (MTODO ASTM): define o NMERO DE TAMANHO DEGRO n como:

Onde: N: nmero de gros por POLEGADA QUADRADA em uma superfcie do

material, polida e contrastada, observada com uma ampliao de 100x. n: nmero designado NMERO ASTM DE TAMANHO DE GRO.

An

Ld



42

N = 2n-1

4.10 Determinao do tamanho de gro


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N de tamanho de gro (n) Nmero de gros por mm2 com 1x

1 15,5

2 31,0

3 62,0

4 124

5 248

6 496

7 9928 1980

9 3970

10 7940

43





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TG ASTM 1: 15,5 gros/ mm2

d 0,287 mmTG ASTM 8: 1980 gros/ mm2

d 0,0127 mm

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M i i C M i


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Importncia dos defeitos

Os defeitos dos materiais , tais como discordncias, defeitos pontuais e contornos degro, atuam como barreiras para discordncias, 03 mecanismos de endurecimentobaseia-se nas trs categorias de defeitos; Endurecimento por deformao (encruamento): Aumentando o n de

discordncias aumenta a tenso necessria para seu movimento, material fica maisresistente;

Endurecimento por soluo slida: tomos ou ons esto completamentesolubilizados pela estrutura cristalina da matriz, necessitando de tenses maiorespara movimento das discordncias;

Endurecimento por tamanho de gro: Aumentar o nmero de gros, reduz otamanho do gro, dificultando a movimentao das discordncias, aumentandoresistncia;

Efeitos nas propriedades eltricas, pticas e magnticas: Incorporao adequada dedopantes permite controlar de modo preciso as propriedades eltricas dossemicondutores.

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