Resumo CMAT P2: 1)Microestrutura e Fase: Microestrutura: É a

Resumo CMAT P2:
1) Microestrutura e Fase:
●Microestrutura:
É a organização dos grãos (contorno, forma, tamanho, orientação) e fases sujeitas à
observação microscópica.
A microestrutura compreende as diferentes fases e o modo como estão arranjadas/
organizadas.
A microestrutura dos materiais depende da composição química e dos processamentos
(tratamentos térmicos e mecânicos) aos quais o material foi submetido.
A microestrutura afeta profundamente as propriedades de um material e assim, sua
aplicabilidade, por isso, é importante conhecê-la e controlá-la.
● Fase:
porção homogênea de um material que tem características físicas e químicas
homogêneas bem definidas.
Identificamos uma fase pela sua composição química e microestrutura.
cada fase tem suas próprias características físico-quimícas, logo...
 A interação de duas ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades
diferentes.
 É possível alterar as propriedades de um material alterando a forma e distribuição das
fases.
2) Diagrama de Fases:
São mapas que representam a relação entre as fases de acordo com a temperatura,
pressão e composição química.
 Permitem prever a microestrutura de um material
Os diagramas de fase podem representar estruturas de: SOLUBILIDADE TOTAL,
SOLUBILIDADE PARCIAL E IMPARCIAL.
● Solubilidade: aponta o quanto dois elementos tem propriedades compatíveis e podem
estar juntos em uma só fase no estado sólido.
› Solubilidade Total: os dois elementos são plenamente compatíveis para a formação de
uma fase homogênea no estado sólido. (diagrama isomorfo)
› Solubilidade Parcial: apenas parte do material se solubiliza na fase sólida.
› Solubilidade Imparcial ou NULA: há clara e total separação de fases (diagrama eutético)
● Limite de Solubilidade:
é a concentração máxima que se pode atingir de um soluto dentro de um solvente. Ao
ultrapassá-lo forma-se uma segunda fase.
 Quanto maior a temperatura, maior o limite de solubilidade.
3) Diagramas Isomorfos:
Solubilidade total. SIMILARIDADE físico química. (ex. Cu-Ni)
Ponto A  apenas fase alfa 
composição lida direto do gráfico
(60%Ni)
Ponto B  fase alfa + liquida  linha
de amarração  se estende de uma
fronteira a outra
●Regra da Alavanca:
Para saber a composição/proporção de cada fase.
● Soluções Sólidas Substitucionais:
A soma das suas frações tem que ser 1
Wa + WL = 1
A massa de um dos componentes (ex. Ni) que está presente em ambas as fases deve ser
igual a massa deste componente na liga como um todo (composição global)
Wa Ca + WLCL = Co  Wa = (Co – CL)/(Ca- CL)
4) Diagramas Eutéticos:
Solubilidade parcial. (ex Pb-Sn)
●Reação Eutética:
Primeiro beta se forma a partir de um processo de nucleação e crescimento na fase líquida
(L  beta).
Quando cruzamos a isotérma eutética, o líquido presente se transforma de uma só vez em
alfa e beta – reação eutética (L  alfa + beta)
Microestrutura composta por grãos de beta (claros) e grãos formados pela superposição de
alfa e beta (lamelas – microestrutura eutética).
A transição eutética é rápida. Assim, não há tempo para ocorrer difusão substancial. A
segregação de átomos de tipo A e B tem que se dar em pequena escala de distâncias.
Resfriamento lento  grãos se formam no espaço intergranular.
Resfriamento rápido  Grãos se formam nos contornos de grão
(intragranular). Pode-se limitar a transformação
(% de alfa inferior ao previsto pelo diagrama de fases). (em alfa  beta)
●Fora da linha eutética:
Primeiro beta se forma a partir de um processo de nucleação e crescimento na fase líquida
(L  beta).
Todo o líquido é convertido em beta. Continuando-se o resfriamento, ao adentrarmos o
campo alfa + beta, cristais de alfa de formam – transformação no estado sólido (beta 
alfa)
Microestrutura composta por grãos de beta (claros) e precipitados de alfa em cima
(escuros).
5) Estruturas Cristalinas do Ferro:
O Ferro apresenta diferentes estruturas cristalinas, dependendo da temperatura – alotropia
●De Tamb até 912°C:
-Cúbica de corpo centrado
-Ferrita ou α -Ferro
●De 912°C até 1394°C:
- Cúbica de face centrada
- Austenita ou ɣ -Ferro
●Tfusão: 1538°C !
●Conceito de Ligas Metálicas:
●Interstícios e Carbono nas redes do Ferro:
Assim, o átomo de carbono é maior do que o
interstício e fica sob compressão.
- A presença de carbono distorce a rede,
contribuindo para endurecer o material.
- A concentração máxima de carbono na ferrita é
muito baixa (0,022 wt%)
- Como o interstício central da cfc é cerca de
2,7X maior, a concentração máxima de carbono
na austenita é muito maior (2,11 wt%)
 O carbono gera soluções sólidas intersticiais (átomo muito pequeno é inserido na
estrutura cristalina), endurecendo o material
OU SEJA: concentração de carbono:
Ferrita – rede ccc – C baixa
Austenita – rede CFC – C “alta”
5)Diagrama Ferro-Carbono:
• Fases do Ferro puro:
- Tamb - 912°C => Fe na forma de Ferrita (α -Fe, CCC)
- 912°C-1394°C => Fe na forma de Austenita (ɣ -Fe, CFC)
- 1394°C-1538°C => Fe na forma de Delta Ferrita (𝛿-Fe, CCC)
• Solubilidade do C em Fe:
- Na fase α - máximo de 0.022%
- Na fase ɣ - máximo de 2.11%
• Cementita - Fe3C :
- Composto estável que se forma quando a solubilidade máxima de carbono é excedida nas
fases α e ɣ .
- Contém 6.7 wt% C {massa(1C)/massa (3Fe + 1C)}
- É dura e quebradiça. A resistência de aços é aumentada pela sua presença.
●Reação Eutetóide:
727°C
●Reação Eutética:
1148°C
1 sólido  2 sólidos
Austenita  Ferrita + Cementita = Perlita
ɣ (gama)  α (alfa) + Fe3C
1 líquido  2 sólidos
L  austenita(ɣ) + cementita (Fe3C)
●Reação Hipo-Eutetóide:
ɣ  ɣ+ α
(α surge nas fronteiras de grão da fase ɣ)
ɣ+ α  α + Fe3C (perlita)
Obs:
A fase α, que não muda, é denominada ferrita pro-eutetóide.
ɣ  ɣ + Fe3C (nas fronteiras de grão da fase ɣ)
ɣ + Fe3C  α + Fe3C (perlita)
●Reação Hiper-Eutetóide:
Obs:
A fase Fe3C, que não muda, é denominada cementita pro-eutetóide.
6)Aços Carbono:
↑ resistência ↓ ductilidade
- Suas propriedades deterioram-se a baixas e altas
temperaturas.
●Aço Baixo Carbono: (< 0,3 wt%)
-Estrutura é usualmente ferrítica e perlítica
- Baixa fração de perlita
●Aço Médio Carbono: (0,3-0,6 wt%)
- melhor combinação de tenacidade e ductilidade e resistência mecânica.
- Fração intermediária de perlita
●Aço Alto Carbono: (0,6-1,2 wt%)
- Alta fração de perlita
●Aços para Automóveis:
aços de alta resistência
Objetivos: -redução de peso
-Economia de combustível
-Aumento da segurança do usuário
 aços com outros elementos de liga e que sofrem tratamentos térmicos diferentes do
resfriamento lento associado aos diagramas de equilíbrio apresentados até agora.
7)Tratamentos Térmicos
As fases mostradas nos diagramas só são formadas pelo resfriamento lento.
╚ É necessário dispor de tempo para que os átomos de carbono se movam através da rede
do ferro (Difusão).
• Caso o resfriamento seja rápido, fases de não equilíbrio, metaestáveis, se formam.
Ex: Martensita – fase formada a partir do resfriamento abrupto (têmpera) da austenita.
Fase extremamente dura.
8)Compósitos:
-materiais que buscam conjugar as propriedades de dois tipos de materiais distintos, para
obter um material superior
- Microestrutura de um compósito tem pelo menos duas fases: a matriz contínua e o
reforço.
●Comportamento Mecânico:
- é, no geral, an-isotrópico (Direções diferentes possuem propriedades mecânicas
diferentes)
› Cálculo na direção LONGITUDINAL:
a deformação é idêntica para fibras e matriz. (iso-deformação)
- Soma das Forças:
(f. compósito=força da matriz+ força da fibra)
Se os comprimentos são todos idênticos, as frações de área são iguais às frações de volume
da matriz (Vm) e das fibras (Vf):
Lembrando que:
› Cálculo na direção TRANSVERSAL:
tensão é igual para o compósito e as duas fases. (iso-tensão)
Soma dos alongamentos:
A deformação total do compósito será:
Lembrando que:
dividindo por 𝜎:
●Transferência de Carga:
No caso de carregamento longitudinal, de um compósito reforçado por fibras alinhadas, a
carga se distribui entre a matriz e o reforço. Assim, é possível cálcular a partição de cargas
na forma a seguir.
Razão das Cargas:
Mas como:
Então:
e
●Regra das Misturas:
Para compósitos reforçados com fibras (se elas são contínuas e unidirecionais), a regra da
mistura permite aos engenheiros prever a densidade do compósito, as condutividades
elétrica e térmica ao longo da direção das fibras. (Na verdade, para a densidade, a regra
vale para compósitos com qualquer tipo de reforço)
Densidade:
Condutividade Térmica:
Condutividade Elétrica:
Note que:
●Módulo de Young x Fração de Carga:
As condições iso-deformação e iso-tensão são os limites superior e inferior dos valores das
propriedades mecânicas dos compósitos.
Ex: fibra de vidro:
9)Semi-Condutores:
-Grupo de materiais com condutividade elétrica intermediária entre os metais e os isolantes
-Condutividade finamente controlada pela presença de impurezas - dopantes.
●Estrutura de Bandas:
 A separação (gap) entre a BANDA DE VALÊNCIA (BV) e a BANDA DE CONDUÇÃO (BC)
determina a propriedade elétrica do material
Nos condutores: elétrons passam facilmente para BC e portanto estão essencialmente
livres (a corrente flui facilmente)
 Isolantes: grande gap de energia entre estas bandas (elétrons não conseguem saltar da
banda de valência para a de condução  a corrente não flui)
 Semicondutores : gap de energia moderado (somente poucos elétrons conseguem ser
excitados para a banda de condução  apenas uma pequena corrente flui
●Elétrons Livres:
-Condutores: Metais (1 e/átomo, livre para se mover, ou 1022 e/cm³)
-Isolantes: Cerâmicos (óxidos, de 0 a 10−20 e/átomo, ou até 10−2 e/cm³)
-Semicondutores:
Germânio (10−8 e/átomo ou 1013 e/cm³)
Silício puro (10−12 e/átomo ou 1010 e/cm³)
Silício dopado (10−9 a 10−7 e/átomo ou 1013 a 1015 e/cm³)
Arseneto de Gálio (10−16 e/átomo ou 106 e/cm³)
●Silício Puro:
-O silício tem 4 elétrons de valência  Quando sólido: os átomos se ligam, produzindo
uma rede cristalina.
-Denominamos este sólido como silício intrínseco (Si-i).
-Os elétrons de valência são compartilhados com os átomos vizinhos
╚ resultando numa estrutura bem estável
╚ estes elétrons são fortemente ligados (poucos elétrons livres)
●Estrutura & Portadores de Carga:
-Nos semicondutores, a energia térmica na temperatura ambiente pode ser suficiente para
romper a ligação atômica de um elétron, fazendo-o saltar da banda de valência para a
banda de condução, e produzindo um par elétron-buraco.
Estes elétrons também podem "cair" de volta da banda de condução para a banda de
valência, recombinando assim com um buraco
●Formação de Cargas Livres:
- Quando a vibração dos átomos da rede cristalina é capaz de romper uma das
ligações Si-Si, temos que o elétron envolvido nesta ligação recebeu uma quantidade de
energia suficiente para excitá-lo de um estado no topo da banda de valência para um
estado no fundo da banda de condução.
-A ligação rompida com esta vibração
(ou ligação faltante) corresponde à formação
de um buraco na banda de valência.
-Esta transição resulta em igual número de elétrons
na BC e de buracos na BV. Esta é uma importante
propriedade dos semicondutores intrínsecos.
●Elétrons, Buracos, Condutividade:
- Os elétrons excitados para a BC têm à sua disposição inúmeros níveis de energia livres e
portanto podem se deslocar, contribuindo para a condutividade do material.
Os buracos deixados na BV, por sua vez, correspondem a níveis livres para onde outros
elétrons podem se mover, deixando outros buracos, e assim por diante.
╚ É mais simples descrever este movimento na BV como o de
cargas positivas, buracos, que se deslocam no sentido contrário
ao dos elétrons.
╚ Assim, os buracos também contribuem para a
condutividade de um semicondutor.
●Condutividade Intrínseca:
Condutividade de um semicondutor intrínseco
Obs: no geral, as mobilidades de elétrons e buracos não são iguais
Obs2: Banda de Valência: última banda completamente preenchida por elétrons, à
temperatura do zero absoluto,
Banda de Condução: é a próxima banda parcialmente preenchida, ou completamente
vazia.
Obs3: A concentração de elétrons na banda de condução de um material semicondutor
depende da temperatura e da energia do gap do material semicondutor
●Concentração de Portadores no Si-i:
●Dopagem do Silício:
- A produção de circuitos integrados requer que o substrato (wafer) seja mais condutor do
que o Si puro.
- Para melhorar a condutividade do semicondutor, adicionam-se impurezas (dopantes) que
contribuem com elétrons extras ou buracos extras.
- Este processo é conhecido como dopagem. Boro (B), Fósforo (P), e Arsênio (As) são os
dopantes mais comumente utilizados pela indústria de microeletrônica para aumentar a
condutividade do silício.
●A Química da Dopagem:
Consultando a Tabela Periódica pode-se observar o número
de elétrons de valência do Boro, Silício, Fósforo e Arsênio.
╚ elementos com 5 elétrons de valência contribuem
com um elétron extra para a rede (dopante doador) –
tipo n (portadores de carga negativos)
╚ elementos com 3 elétrons de valência aceitam um
elétron da rede do silício (dopante receptor) –
tipo p (portadores de carga positivos)
●Concentração de Elétrons e Buracos:
-O silício intrínseco possui um numero de buracos igual ao de elétrons livres: 1010 e/cm³
na temperatura ambiente.
-Para conseguirmos um razoável nível de condutividade não é necessário acrescentar uma
grande quantidade de dopante. É suficiente uma adição de uma a cem partes por bilhão
(≈ 1015 at/cm³)
- Como o Si, cri
1022 at/cm³ dopagem de:
 1016 at/cm³ significa a adição de uma parte por milhão (ppm);
 1013 at/cm³ significa a adição de uma parte por bilhão (ppb).
- Se o dopante é doador teremos um aumento da concentração de elétrons na BC de 1010
para 1015 e/cm3, ou seja, um aumento de 5 ordens de grandeza com forte impacto sobre a
condutividade.
- Se o dopante é receptor, o mesmo ocorrerá a partir do aumento da concentração de
buracos na BV.
● Concentração de Portadores no Si Dopado:
A dopagem do Si aumenta dramaticamente a concentração de portadores de carga:
elétrons no Si tipo n e buracos no Si tipo p.
●Dopagem e Níveis no Gap:
 Semicondutor tipo-n:
Dopante doador
╚ Surge um nível de energia permitido para estes
elétrons, pouco abaixo da BC.
╚ Com pouca energia, estes elétrons podem ser
promovidos para a BC.
 Semicondutor tipo-p:
Dopante receptor
╚ Surge um nível de energia permitido pouco acima
da BV.
╚ Com pouca energia, elétrons da BV podem ser
promovidos para este nível, deixando buracos na BV.
●Dispositivos e Junções:
-A base da tecnologia de dispositivos semicondutores está na habilidade de se produzir uma
junção entre duas partes de materiais com características distintas.
-Como os materiais semicondutores possuem pouquíssimos elétrons livres, qualquer
imperfeição no material prejudica a sua condutividade.
╚ Material deve ser muito puro (99,9999%).
╚ Estrutura cristalina deve ser a mais perfeita possível.
 Assim, a junção tem que procurar casar as posições dos átomos de cada lado da junção.
(Requisito crítico de engenharia)
●A Junção pn:
O diodo é a junção entre um semicondutor tipo-n e um semicondutor tipo-p.
• Na formação da junção pn os elétrons da região n (em alta concentração) migrarão para
a região p (de menor concentração de elétrons) e se recombinarão com os buracos da
região p (dopantes tipo III) que possui alta concentração de buracos. DIFUSÃO.
• O processo inverso ocorrerá com os buracos da região p.
Este processo bidirecional de migração, de elétrons e buracos, leva à formação de uma
região com carga líquida negativa na região p e positiva na região n.
• Isto dá origem a uma região com um campo elétrico que aponta da região n para a p.
OBS: O campo elétrico aponta do lado positivo para o lado negativo
• Este campo cresce até interromper o processo de difusão de cargas através da junção.
• A região em torno da fronteira, na qual ocorre a redução de portadores de carga, chamase zona de depleção.
●A Física da Junção:
-O efeito na junção equivale à geração de um potencial elétrico que modifica os níveis
relativos das bandas de energia dos materiais p e n, gerando uma barreira de
potencial.
-Quando esta junção é ligada a uma fonte externa, esta barreira será reduzida ou
aumentada.
●Junção com Polarização Direta:
Fonte de tensão ligada com o pólo positivo conectado ao
lado tipo-p
╚ A barreira de potencial diminui.
╚ A quantidade de buracos no lado p e elétrons no lado n
com energia suficiente para vencer a barreira de potencial
aumenta muito.
╚ A junção conduz corrente.
●Junção com Polarização Reversa:
Fonte de tensão ligada com o pólo positivo conectado ao
lado tipo-n
╚A barreira de potencial aumenta.
╚ Os buracos no lado p e elétrons no lado n não têm energia
suficiente para vencer a barreira de potencial.
╚ A junção não conduz corrente.
●Junção pn - Característica V-I:
●O Diodo como Retificador:
A aplicação mais simples do diodo é na retificação de corrente alternada  conversão
de corrente alternada para corrente continua.
-O ciclo positivo corresponde à polarização direta e a corrente pode fluir.
-O ciclo negativo corresponde à polarização reversa e a corrente não pode fluir  ciclo
negativo eliminado.
-O uso de um capacitor permite transformar as oscilações do ciclo positivo em uma onda de
valor quase constante.
●Dispositivos Baseados na Junção pn:
› LED’s:
Convertem um sinal elétrico de entrada em uma saída de luz:
elétron entrando  fóton saindo
Um LED é constituído por junção PN que, polarizada
diretamente, emite luz devido ao fenômeno de recombinação
dos pares elétrons-buracos na região da junção
› Células Solares (Fotovoltaicas):
- Convertem um sinal luminoso de entrada em uma
saída de elétrons: fóton entrando  elétron saindo
(os elétrons gerados são “impulsionados” pelo campo
elétrico na junção PN)
- Fonte de energia renovável!
●LED’s:
 têm a capacidade de converter energia elétrica em energia luminosa,
sem grande geração de calor
Um diodo emissor de luz (LED) é muito semelhante ao diodo comum utilizado em circuitos
elétricos:
╚ Junção pn polarizada diretamente injeta elétrons na região tipo p, rica em buracos
╚ Recombinação deste elétrons com os buracos existentes.
╚ De acordo com a característica do material semicondutor utilizado, esta recombinação irá
apresentar uma liberação de energia sob a forma de fótons (luz).
• Pode-se fazer uma engenharia neste material para ajustar a cor da luz emitida. Este ajuste
nos permite gerar, hoje em dia, emissões na faixa do infravermelho ao ultravioleta.
 Os elétrons da região n são injetados na região p, ocasionando a recombinação do
par elétron-buraco (e-h) o que gera emissão de energia na forma de radiação (luz).
› GAP de Energia e Cor da Luz LED:
-A cor da luz emitida depende da quantidade de energia “devolvida” na recombinação dos
elétrons com os buracos.
-Esta quantidade depende do tamanho do gap que, por sua vez, depende do material, e de
sua estrutura cristalina.
-Quanto maior o gap, maior a energia da luz gerada, e portanto maior sua frequência e
menor seu comprimento de onda.
 As maiores energias de gap (2,8 eV): região azul
menores energias de gap (1,8 eV): região vermelha do espectro visível
Pois a energia da luz emitida (que é igual à energia do gap), é diretamente proporcional à
frequência da luz e inversamente proporcional a seu comprimento de onda. Assim, gap
maior implica em menor compimento de onda, no caso o da luz azul.
 Eg = hf (onde f é a frequência da luz)
O gap pode ser ajustado criando ligas de materiais semicondutores:
- Variando os componentes das ligas e suas proporções, altera-se o parâmetro de rede
(distância entre átomos na estrutura cristalina).
- Esta variação do parâmetro de rede está diretamente relacionada com a energia do gap e
com a cor da luz gerada.
●Si versus Semicondutores III-V:
-O silício é o semicondutor mais usado na microeletrônica, mas não é adequado para a
geração de luz.
╚ A transição entre as bandas implica em perda de energia por aquecimento, e não apenas
via geração de luz.
╚ Isto está associado a uma característica denominada “gap indireto”.
• Diversos compostos de elementos das colunas III e V da tabela periódica são mais
adequados.
╚ Possuem “gap direto”.
╚ A transição radiativa é eficiente.
• A combinação entre diversos compostos, com diferentes proporções, oferece uma
enorme flexibilidade.