Discordância

Imperfeições em Sólidos
Profa. Dra. Daniela Becker
Bibliografia
Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de
materiais: Uma introdução. LTC, 5ed., cap
4, 2002.
Shackelford, J.F. Ciências dos Materiais,
Pearson Prentice Hall, 6ed., cap 4, 2008.
Sumário
Introdução
Defeitos pontuais
Defeitos de linha
Defeitos de interface
Defeitos volumétricos
Introdução a microscopia
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
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
Tipos de imperfeições
Defeitos pontuais
Defeitos de linha (discordâncias)
Defeitos de interface (grão e maclas)
Defeitos volumétricos (inclusões,
precipitados)
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=Nv/N=exp (-Qv/KT)
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 = 1,38x1023J/at.K ou
8,62x10-5 eV/ at.K
Lacunas ou Vazios
Gráfico de Arrhenius
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 grande
Átomo intersticial pequeno
Gera maior distorção na rede
Interstícios na rede cúbica (C Fe)
Interstícios nas redes cúbicas: (a) Interstício do tipo ¼ , ½ , 0 na rede
CCC, (b) interstício ½ , 0 , 0 na rede CFC, (c) Interstícios do centro do
cubo ½ , ½ , ½ e do centro da aresta ½ , 0 , 0 em metais CFC.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Defeitos pontuais: (a) lacuna, (b) átomo intersticial, (c) átomo substitucional pequeno,
(d) átomo substitucional grande. Todos estes defeitos perturbam o “perfeito”arranjo
atômico dos átomos vizinhos.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
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
Ligas metálicas
Impurezas são adicionadas intencionalmente
com a finalidade:
-
Aumentar a resistência mecânica
-
Aumentar a resistência à corrosão
-
Aumentar a condutividade elétrica
Ilustração de fases e solubilidade: (a) As três formas da água: sólida, líquida e gasosa; (b)
água e álcool têm solubilidade ilimitada; (c) Sal e água possuem solubilidade limitada;
(d) Água e óleo não possuem solubilidade.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Soluções Sólidas
A estrutura cristalina do material que atua como
matriz é mantida e não formam-se novas estruturas
As soluções sólidas formam-se mais facilmente
quando o elemento de liga (impureza) e matriz
apresentam estrutura cristalina e dimensões
eletrônicas semelhantes
Nas soluções sólidas as impurezas podem
ser:
Intersticial
Substitucional
Elemento de liga ou Impureza → soluto
(< quantidade)
Matriz ou Hospedeiro → solvente
(>quantidade)
A adição de átomos de impurezas a um
metal irá resultar a formação de:
Soluções sólidas < limite de solubilidade
Segunda fase > limite de solubilidade
A solubilidade depende :
Temperatura
Tipo de impureza
Concentração da impureza
Solução sólida
Soluções Sólidas Substitucionais
Os átomos do soluto ou átomos de
impurezas tomam o lugar dos átomos
hospedeiros ou os substituem
SUBSTITUCIONAL
ORDENADA
SUBSTITUCIONAL
DESORDENADA
Fatores que influem na formação de
soluções sólidas substitucionais
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
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
Solução sólida vs Segunda fase
Soluções Sólidas Intersticiais
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
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
Difusão
Devido à presença de vacâncias e
interstícios, é possível haver movimento de
átomos de um material dentro de outro
material
Difusão
Exemplos de difusão
Mecanismo de difusão
Mecanismo de difusão
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 ou aresta (“edge dislocation”) – Uma
discordância introduzida no cristal pela adição de um “meio plano extra”
de átomos.
Discordância em hélice ou espiral (“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.
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 SEMIplano extra de átomos
O vetor de Burger é
perpendicular à direção
da linha da
discordância
Envolve zonas de
tração e compressão
O cristal perfeito em (a) é cortado e um meio plano atômico extra
é inserido (b). A extremidade da parte inferior do plano extra é
uma discordância em cunha (c). O vetor de Burgers b é
necessário para fechar um circuito de igual espaçamento atômico
ao redor da discordância.
(Adaptado de: J. D. Verhoeven, Fundamentals of Physical
Metallurgy, Wiley, 1975.)
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.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Como se observa as discordância
Diretamente → microscopia eletrônica de
transmissão (MET)
Indiretamente → microscopia eletrônica de
varredura (MEV) e microscopia óptica (após
ataque químico seletivo)
DISCORDÂNCIAS NO TEM
Importância da discordância
Fornecem um mecanismo para deformação
plástica ⇒ processo de deslizamento
Proporciona ductibilidade aos metais
Interferência no movimento das
discordâncias proporciona mecanismos para
aumentar dureza
Discordâncias e deformação plástica
Discordâncias e deformação plástica
Tensão de
cisalhamento
Plano de
escorregamento
Linha da
discordânica
aresta
Tensão de
cisalhamento
Tensão de
cisalhamento
Discordâncias e deformação plástica
Discordâncias e aumento das propriedades
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
Fronteiras entre fases
Superfícies externas
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 está
energia
A energia superficial é expressa em erg/cm2
ou J/m2)
Contornos de Grão
Corresponde à região que
separa dois ou mais cristais
de orientação diferente
No interior de cada grão
todos os átomos estão
arranjados segundo um
único modelo e única
orientação, caracterizada
pela célula unitária
Contornos de Grão
Os átomos próximos aos contornos (a) não possuem uma distância de
equilíbrio ou arranjo definido. Grãos e contornos de grão em uma amostra de
aço inoxidável ferrítico (b).
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Contorno de grão
Há um empacotamento menos eficiente
Há uma energia mais elevada
Favorece nucleação de novas fases
Favorecer difusão
Funciona como barreira para movimentação
da discordância
Contornos de grãos vistos por MO
Fonte: material Profa. Eleani Maria da Costa DEM/PUCRS
Formação do Grão
A forma do grão é
controlada:
- pela presença dos
grãos
circunvizinhos
O tamanho de grão é
controlado
- Composição
- Taxa de cristalização
ou solidificação
Defeitos interfaciais diversos
Contornos de fase
Materiais de múltiplas fases, através dos quais há
uma mudança repentina nas características
físicas e/ou químicas
Interfaces (fronteiras entre fases)
Exemplos de interfaces: (a) um precipitado não-coerente não possui relação
com a estrutura cristalina da matriz metálica; (b) um precipitado coerente se
forma de modo a preservar a integridade da rede cristalina. Existe relação entre
a estrutura do precipitado e da matriz metálica.
Fonte: Donald R. Askeland; Pradeep P. Phulé - The Science and Engineering of Materials, 4th ed.
Defeitos Volumétricos
Defeitos volumétricos
São introduzidas no processamento do material e/ou
na fabricação do componente
São eles:
Inclusões - Impurezas estranhas
Precipitado - 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
Inclusões
INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%)
LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C.
Porosidade
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
Exemplo de partículas 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).