Defeitos Cristalinos 2, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Defeitos na Estrutura Cristalina

Profº Dr. João Sartori

FUNDAMENTOS DE CIENCIAS

DOS MATERIAIS

Especificação da composição de uma liga Concentração em massa (porcentagem em massa): onde m = massa ou peso dos elementos Concentração atômica(%atômica): onde NA e NB são nº moles dos elementos A e B

N = %peso x massa atômica do elemento

onde N é o número de átomos ou posições, T é a temperatura absoluta (Kelvin), k é a constante de Boltzmann(1,38x10-23J/átomo.K ou 8,62x10-5^ eV/átomo.K). Auto-intersticial: é um átomo que ocupa um interstício da estrutura cristalina que causam uma grande distorção do reticulado cristalino e ao seu redor. Figuras (b,c) Vazios : mais simples dos defeitos pontuais, o qual simplesmente envolve a falta de um átomo dentro da rede. Tais defeitos podem resultar de um empacotamento imperfeito durante a cristalização original ou advir de vibrações térmicas devido a altas temperaturas.

Posições intersticiais CFC

Tetraédrica Octaédrica Determine o raio do interstício octaédrico no ferro . Dados: estrutura do ferro  é CFC e raio atômico=0,129 nm. se invertermos ambos os lados teremos: r = 0,414. R Para RFe =0,

r = 0,053 nm

Defeito de Schottky: ausência de

um par de ion.

Defeito de Frenkel: presença

de um par de íon no interstício

Criar certos defeitos em sólidos iônicos possibilitam gerar propriedades como:

• Boa condutividade elétrica em alta temperatura(cerâmicas);
• Microsensores para controle de gases;
• Propriedades magnéticas boas. Frenkel Schottky

DEFEITOS DE LINHA:

Discordância em Cunha : arranjo dos átomos ao redor de uma discordância em cunha (“edge dislocation”)

DISCORDÂNCIA EM HÉLICE:

Escorregamento em policristais

Discordâncias no cobre

Discordâncias no silicio Deformação devido

as discordâncias

Solução Sólida intersticial Quando os elementos adicionados passam a fazer parte integral da fase sólida, obtém-se uma solução sólida****. O elemento presente em maior quantidade denomina-se solvente ou matriz da solução sólida, enquanto o elemento em menor quantidade corresponde ao soluto.O objetivo é de melhorar as propriedades ou conferir alguma característica especial ao material. SOLUÇÃO SÓLIDA Solução Sólida substitucional

Exemplos de soluções sólidas intersticiais no aço

Limite de solubilidade É a concentração máxima de soluto que pode ser adicionada sem que ocorra a formação de uma nova fase

As soluções sólidas são formadas quando átomos de um elemento (soluto) são adicionados no material hospedeiro (solvente) e a estrutura cristalina original é

mantida. Existem condições para formação de uma solução sólida(Regra de

Rumy Rothery): 1.Os átomo devem possuir tamanhos próximos; 2.Átomos com eletronegatividade próximas; 3.Átomos com a mesma Valência; 4.Átomos com a mesma estrutura cristalina. Exercício em aula Quais desses elementos podem ser formadores com o cobre de uma solução sólida substitucional?

Resposta: Níquel

Composição de uma solução: Onde: C’ 1 é a composição percentual do átomo 1 e C’ 2 do átomo 2, e A 1 e A 2 as respectivas massas atômicas dos átomos 1 e 2. Exercício em sala: Determinar a composição, em percentagem atômica, de uma liga que consiste de 97% de alumínio e 3% de cobre em massa. Solução: com CAl = 97; CCu = 3 em %

Deformação dos Metais

Deformação elástica : Na região de comportamento elástico, a

deformação é resultante de uma pequena elongação ou de uma pequena

contração da célula unitária na direção da tensão de tração ou de

compressão, respectivamente. Com a remoção da carga, o corpo de prova

retorna às suas dimensões e formas originais

O principal mecanismo de deformação

plástica dos metais é o escorregamento

dos planos cristalinos em relação aos

demais e a direções. A deformação por

escorregamento é provocada por esforços

de cisalhamento.

Na deformação também observamos que o sistema de escorregamento do cristal deve- se a combinação de um plano de escorregamento com uma direção de escorregamento.

Deformação Plástica : deformação permanente. Os metais se

caracterizam pela capacidade de serem deformados com relativa facilidade,

ou seja, por apresentarem plasticidade.

A plasticidade permite a conformação dos metais no estado sólido, através

de processos como forjamento, laminação e estiramento entre outros.

O reticulado CFC: número de possíveis sistemas de escorregamento - 12,

O reticulado HC: número de possíveis sistemas de escorregamento - 3,

O reticulado CCC: apresenta número bem maior de sistemas de escorregamento,

ou seja 48, mas não apresentam densidade atômica tão elevada.

Obs- Os metais com estrutura CCC exigem maior esforço de deformação para

provocar o escorregamento.

PRESENÇA DE SOLUTOS ALTERA O

COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS

METAIS:

• DIFERENÇA ENTRE TAMANHOS ATÔMICOS LEVA AO AUMENTO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA
• AUMENTO DA QUANTIDADE DE SOLUTO LEVA AO AUMENTO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA

COMO PODEMOS AUMENTAR A RESISTÊNCIA DE UM MATERIAL?

A partir da restrição do movimento das discordâncias, através dos

seguintes mecânismos:

• Adição de atomos estranhos no reticulado- ex. solução sólida
• Encruamento- ex. deformação a frio
• Diminuição do tamanho do grão – tratamento térmico

A família de planos {110} no sistema ccc é o de maior densidade atômica

A família de planos {111} no sistema cfc é o de maior densidade atômica

PLANOS DE MAIOR DENSIDADE ATÔMICA NO SISTEMA CCC/CFC DIREÇÕES DE MAIOR DENSIDADE ATÔMICA NO SISTEMA CFC

Os átomos se tocam ao longo da

diagonal da face, que corresponde

a família de direções[110], que é a

de maior empacotamento atômico

para o sistema CFC.