Imperfeições em Sólidos: Tipos e Consequências, Notas de aula de Engenharia Mecânica

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Imperfeições em Sólidos

Metais

PG-MEC EME

Prof Adriano Scheid

Imperfeições em Sólidos Introdução Os sólidos contém inúmeras imperfeições nas estruturas cristalinas e muitas propriedades são alteradas significativamente pela presença dos defeitos. Os defeitos cristalinos são classificados conforme a sua geometria. Neste capítulo, serão estudados:

• Defeitos Pontuais
• Defeitos Lineares
• Defeitos de Superfície (ou de contorno).

Imperfeições em Sólidos Vazios ou Auto-Intersticiais O número e vazios aumenta exponencialmente com a temperatura. Para metais, logo abaixo da temperatura de fusão, o valor N v /N é de 10

• 4 , o que corresponde a um vazio a cada 10000 posições no reticulado. Auto-Intersticial Defeito que ocorre quando um átomo do material é forçado a ocupar um interstício, um pequeno espaço que não está preenchido em condições normais. O resultado é a geração de um campo de tensão, pois o átomo é maior que o espaço intersticial. Assim, a formação deste tipo de defeito é menos freqüente que os vazios.

Imperfeições em Sólidos: Impurezas em Sólidos Ligas Metálicas Um metal puro com 99 , 9999 % apresenta entre 10 22 a 10 23 átomos de impureza presentes por m³ de material. A maior parte dos metais são ligas, em que as impurezas são adicionadas intencionalmente a fim de conferir propriedades e características específicas ao material. Na maior parte dos casos, o objetivo de adicionar elementos de liga é aumentar a resistência mecânica e resistência à corrosão. Solução Sólida A adição de impurezas a um sólido resulta na formação de soluções sólidas ou uma segunda fase, conforme o elemento adicionado, a concentração do elemento e a temperatura.

Imperfeições em Sólidos: Impurezas em Sólidos Defeitos pontuais de impurezas são encontradas na forma Substitucional e Intersticial. Existem alguns fatores que determinam a formação de Solução Sólida Substitucional , conforme segue:

• Tamanho Atômico Uma quantidade apreciável de elementos pode ser adicionado desde que a razão de diâmetros atômicos não ultrapasse  15 %. Quando a diferença é superada, criam-se distorções na estrutura cristalina e uma nova fase é formada.
• Estrutura Cristalina Para maior solubilidade, as estruturas cristalinas dos dois metais devem ser as mesmas.

Imperfeições em Sólidos: Impurezas em Sólidos

• Eletronegatividade Quando dois tipos de átomos são misturados, quanto mais para os extremos da tabela periódica estiverem os elementos (maior a eletropositividade de um e eletronegatividade do outro), maior a tendência à formação de Intermetálicos ao invés de solução sólida substitucional.
• Valência Átomos de um solvente apresentam maior tendência em dissolver um soluto que apresente maior valência. Exemplo: Na solução sólida substitucional de Cobre em Níquel, a solubilidade é total, com raios atômicos de 0 , 128 e 0 , 125 nm, ambos com estrutura cristalina Cúbica de Faces Centradas, eletronegatividades de 1 , 9 e 1 , 8 , com valências + 1 (podendo ser + 2 ) para o Cobre e + 2 para o Níquel.

Imperfeições em Sólidos Defeitos Lineares - Discordâncias Uma discordância é um defeito linear unidimensional, ao longo do qual os átomos estão desalinhados. Esta é chamada discordância em linha ou em cunha e é como um plano extra de átomos. Os átomos estão distorcidos ao redor do defeito e esta distorção é reduzida à medida que se afasta da mesma. Vetor de Burgers Linha da discordância em cunha

Imperfeições em Sólidos Defeitos Lineares - Discordâncias Um outro tipo de discordância, chamada discordância helicoidal, pode ser gerada pela aplicação de tensões de cisalhamento. Linha da discordância Vetor de Burgers

Imperfeições em Sólidos Defeitos Interfaciais Os defeitos interfaciais são contornos que apresentam duas dimensões e normalmente separam regiões dentro do material que apresentam diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas. Estas imperfeições incluem: a superfície externa, os contornos de grão, os contornos de macla, defeitos de empilhamento, e contornos de fases. Superfícies Externas Os átomos da superfície externa estão ligados a um número menor de vizinhos mais próximos quando comparados aos átomos do interior do material. Estes átomos apresentam energia mais elevada, relacionada à energia das ligações não regulares.

Imperfeições em Sólidos: Superfícies Externas Os materiais tendem a minimizar esta energia pela redução da área superficial. Um bom exemplo ocorre nos líquidos, que assumem formas de mínima área superficial. Um exemplo disto são as gotas de água, que assume a forma esférica. Uma limitação ocorre para os materiais sólidos, haja visto a rigidez mecânica. Contornos de Grão Outro exemplo de defeito de superfície são os contornos de grão. Nesta região, existe uma largura equivalente a alguns espaçamentos atômicos e apresenta um desencontro devido à diferente orientação cristalina. Ângulo de Desalinhamento Ângulo de Desalinhamento Contorno de grão de alto ângulo Contorno de grão de baixo ângulo

Imperfeições em Sólidos: Contornos de Grão A energia dos contornos é mais elevada em função das ligações mais irregulares formadas, podendo ser comparada de forma similar à energia da superfície externa. Em elevadas temperaturas, os contornos tendem a migrar, promovendo o crescimento dos grãos, como resultado da minimização da energia total de contorno de grão do material. Os átomos de impureza são segregadas ao longo dos contornos dos grãos, devido à energia mais elevada. Apesar da desordem e falta de regularidade dos contornos, um material policristalino é muito resistente e apresenta forças de coesão dentro e através dos contornos de grão.

Imperfeições em Sólidos: Contornos de Macla Os contornos de macla são um tipo especial de contorno de grão, em que existe uma simetria específica de espelho no reticulado. A macla surge a partir da aplicação de deformação por forças cisalhantes (HCP e CCC) e também por tratamento térmico seguido de deformação (CFC). A macla ocorre em planos definidos da estrutura cristalina e em direções específicas. Contorno do plano de macla Superfície polida e com ataque químico

Imperfeições em Sólidos: Vibrações Atômicas As vibrações atômicas em sólidos podem ser pensadas como imperfeições cristalinas. É importante destacar a relação entre: Temperatura x Defeitos Cristalinos Para Vazios:

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Cerâmicas

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