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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia 2º Semestre de 2005
DEFEITOS CRISTALINOS
PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005
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Defeitos Cristalinos
- Apresentar os principais tipos de defeitos cristalinos dos materiais de engenharia.
- Defeitos puntiformes.
- Impurezas.
- Soluções sólidas.
- Defeitos de linha.
- Defeitos bidimensionais.
- Observação da Microestrutura
Objetivo
Roteiro
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Defeitos Cristalinos
- Defeito cristalino : imperfeição do reticulado cristalino
- Classificação dos defeitos cristalinos :
- Defeitos puntiformes (associados com uma ou duas posições atômicas): lacunas e átomos intersticiais.
- Defeitos de linha (defeitos unidimensionais): discordâncias
- Defeitos bidimensionais (fronteiras entre duas regiões com diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações cristalográficas): contornos de grão, interfaces, superfícies livres, contornos de macla, defeitos de empilhamento.
- Defeitos volumétricos (defeitos tridimensionais): poros, trincas e inclusões.
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Defeitos puntiformes :^4
Lacunas e Auto-Intersticiais
- Lacuna (“ vacancy ”): ausência de um átomo em um ponto do
reticulado cristalino.
- Podem ser formadas durante a solidificação ou como
resultado de vibrações atômicas.
- Existe uma concentração de equilíbrio de lacunas.
= − kT
Q N (^) L N exp L
onde: N ≡ número total de posições atômicas NL ≡ número de lacunas QL ≡ energia de ativação para formação de lacunas k ≡ constante de Boltzmann T ≡ temperatura absoluta
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Soluções Sólidas^7
- As ligas são obtidas através da adição de elementos de liga
(átomos diferentes do metal-base). Esses átomos adicionados
intencionalmente podem ficar em solução sólida e/ou fazer parte
de uma segunda fase.
- Em uma liga, o elemento presente em menor concentração
denomina-se soluto e aquele em maior quantidade, solvente.
- Solução sólida : ocorre quando a adição de átomos do soluto
não modifica a estrutura cristalina nem provoca a formação de
novas estruturas.
- Solução sólida substitucional: os átomos de soluto substituem
uma parte dos átomos de solvente no reticulado.
- Solução sólida intersticial: os átomos de soluto ocupam os
interstícios existentes no reticulado.
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Especificação da composição de uma liga^8
- Concentração em massa (porcentagem em massa):
× 100 %
A B
A A
m m
m
C
onde m é a massa (ou peso) dos elementos
- Concentração atômica (porcentagem atômica, %-at.):
onde NA e NB são os números de moles dos elementos
A e B.
× 100 %
A B
at A A
N N
N
C
Defeitos puntiformes em sólidos iônicos 9
• A neutralidade elétrica tende a ser respeitada.
- Defeito de Schottky : lacuna aniônica + lacuna catiônica
- Defeito de Frenkel : cátion intersticial + lacuna catiônica
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Defeitos puntiformes em sólidos iônicos 10
Não-estequiometria
Impurezas
- Exemplos de aplicação
- Resistências de fornos elétricos (condutividade elétrica de cerâmicas em alta temperatura).
- Sensores de gases.
- Materiais com propriedades magnéticas interessantes.
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- A magnitude e a direção da distorção do reticulado associada a uma discordância podem ser expressas em termos do vetor de Burgers , b.
- O vetor de Burgers pode ser determinado por meio do circuito de Burgers.
Defeitos de Linha
Circuito de Burgers Discordância em Cunha Circuito de Burgers Discordância em Hélice
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Defeitos de Linha
- A linha de discordância delimita as regiões cisalhada e não cisalhada.
- Uma discordância não pode terminar no interior de um cristal.
Linha de Discordância e Plano de Escorregamento
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Microscopia eletrônica de transmissão de uma lâmina fina de uma liga metálica contendo discordâncias
Microscopia óptica de uma liga de cobre. Observam-se pites de corrosão, nos locais onde as discordâncias interceptam a superfície
Defeitos de Linha
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- Interface: contorno entre duas fases diferentes.
- Contornos de Grão: contornos entre dois cristais sólidos da mesma fase.
- Superfície Externa: superfície entre o cristal e o meio que o circunda
- Contorno de Macla: tipo especial de contorno de grão que separa duas regiões com uma simetria tipo ”espelho”.
- Falhas de Empilhamento: ocorre nos materiais quando há uma interrupção na seqüência de empilhamento, por exemplo na seqüência ABCABCABC.... dos planos compactos dos cristais CFC.
Defeitos Bidimensionais
- Outros defeitos bidimensionais são possíveis:^19
- Falhas de empilhamento (encontradas em metais CFC)
Defeitos em Volume
- Além dos defeitos apresentados nas transparências anteriores, os materiais podem apresentar outros tipos de defeitos, que se apresentam em escalas muito maiores.
- Esses defeitos normalmente são introduzidos nos processos de fabricação, e podem afetar fortemente as propriedades dos produtos.
- Exemplos: inclusões, poros, trincas, precipitados.
Observação Microestrutural 20
- Observação estrutural: macroestrutura e microestrutura.
- Observação da macroestrutura: a olho nu ou com baixos aumentos (até ~10X).
- Observação da microestrutura: microscopia óptica e microscopia eletrônica.
Macroestrutura de um lingote de chumbo apresentando os diferentes grãos.
Observação Microestrutural 21 (microscopia óptica)
(a) e (b) Formação do contraste entre grãos. (c) Micrografia óptica de um latão (Cu-Zn) policristalino. Aumento: 60X.
(a) e (b) Formação da imagem dos contornos de grão. (c) Micrografia óptica de uma liga Fe-Cr. Aumento: 100X.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
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- Capítulos do Callister tratados nesta aula
- Capítulo 4 : completo
- Capítulo 7 : Maclas, item 7..
- Capítulo 13: Defeitos em sólidos iônicos, item 13..
- Outras referências importantes
- Van Vlack , L. - Princípios de Ciência dos Materiais, 3a^ ed.
- Capítulo 4 : itens 4-1 a 4-
- Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia. Hemus. São Paulo. 1997.
