ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
DEFEITOS DO SÓLIDO CRISTALINO
DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO
PMT 3100 - Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais
2º semestre de 2014
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Defeitos e difusão do solido, Slides de Ciência dos materiais
DEFEITOS DO SÓLIDO CRISTALINO DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO
Tipologia: Slides
2020
1 / 50
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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
DEFEITOS DO SÓLIDO CRISTALINO
DIFUSÃO NO ESTADO SÓLIDO
PMT 3100 - Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais 2º semestre de 2014
- Defeitos puntiformes
- Impurezas
- Soluções sólidas
- Defeitos de linha
- Defeitos bidimensionais
- Observação da
Microestrutura
- Difusão
- História
- Conceitos
- Mecanismos
- Estado estacionário
- Estado não estacionário
- Efeito da temperatura Defeitos do Sólido Cristalino ROTEIRO
Defeitos do Sólido Cristalino
- Classificação geométrica dos defeitos cristalinos:
- DEFEITOS PONTUAIS (associados com uma ou duas
posições atômicas – 0 D): lacunas e átomos intersticiais.
- DEFEITOS DE LINHA (defeitos unidimensionais – 1 D):
discordâncias
- DEFEITOS BIDIMENSIONAIS (fronteiras entre duas
regiões com diferentes estruturas cristalinas ou
diferentes orientações cristalográficas – 2 D): contornos
de grão, interfaces, superfícies livres, contornos de
macla, defeitos de empilhamento.
- DEFEITOS VOLUMÉTRICOS (defeitos tridimensionais –
3 D): poros, trincas e inclusões.
Defeitos Puntiformes: Lacunas
- LACUNA (“ vacancy”): ausência de um átomo em um ponto do reticulado cristalino.
- Podem ser formadas durante a deformação plástica ou como resultado de vibrações atômicas.
- Existe uma CONCENTRAÇÃO DE EQUILÍBRIO de lacunas.
kT
Q
N N
L L
exp
onde: N número total de posições atômicas NL número de lacunas QL energia de ativação para formação de uma lacuna k constante de Boltzmann (k = 8 , 62 x 10 -^5 eV/K = 1 , 38 x 10 -^23 J/K) T temperatura absoluta
Impurezas
- É impossível existir um metal consistindo de um só tipo de átomo (metal puro).
- As técnicas de refino atualmente disponíveis permitem obter metais com um grau de pureza no máximo de 99 , 9999 %. Representação de átomos de impurezas SUBSTITUCIONAIS e INTERSTICIAIS SUBSTITUCIONAL INTERSTICIAL
Soluções Sólidas
- 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. solvente soluto Fonte: http://www.substech.com
Soluções Sólidas
- SOLUÇÃO SÓLIDA: ocorre quando a adição de átomos do soluto não modifica a estrutura cristalina nem provoca a formação de novas estruturas.
- SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL : os átomos de soluto ocupam os interstícios existentes no reticulado. Exemplo: carbono em ferro. Fonte: http://www.rmutphysics.com/charud/s cibook/crystal- structure/Solid%20solution.htm Ferro Carbono Fonte: http://intranet.micds.org/upper/science/chem_02/che m_text_'02/secondsemester/newchaps/solutionscollig ativeprops/files/ch11text.html
Regras para solubilidade no estado sólido: Regra 1 : solução sólida substitucional ilimitada ocorre quando a diferença entre os raios atômicos dos componentes for menor que 15%. Se for maior que este valor, a solubilidade é limitada. Regra 2 : uma solução sólida com solubilidade extensa é mais provável quando os dois componentes devem ter a mesma estrutura cristalina. Regra 3 : um componente (A) tende a dissolver mais um outro componente (B) com valência maior que (A), do que com valência menor que (A). O ideal é que os dois tenham a mesma valência. Regra 4 : quanto menor a diferença de eletronegatividade entre os dois componentes, maior a possibilidade de formar solução sólida extensa.
Defeitos Puntiformes em Sólidos Iônicos
- A neutralidade elétrica tende a ser respeitada.
- DEFEITO SCHOTTKY : lacuna aniônica + lacuna catiônica
- DEFEITO FRENKEL : cátion intersticial + lacuna catiônica
Defeitos Puntiformes em Sólidos Iônicos 14 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. Íons de ferro (Fe) no óxido de ferro podem apresentar dois estados de oxidação, Fe^2 +^ e Fe^3 +. Isso, aliado à necessidade de se manter a neutralidade elétrica do sólido iônico cristalino, leva à não-estequiometria do óxido de ferro.
16 Arranjo dos átomos em torno de uma discordância em hélice. Defeitos de Linha : Discordância em Hélice (ou Espiral) DISCORDÂNCIA EM HÉLICE ("screw dislocation") Tensões de cisalhamento estão associadas aos átomos adjacentes à linha da discordância em hélice.
Defeitos Bidimensionais
- INTERFACE: Fronteira entre duas regiões 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”.
- DEFEITOS 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: Contornos de Grão
- Se o desalinhamento é pequeno (em geral, menor que 5o), o contorno é chamado CONTORNO DE PEQUENO ÂNGULO, e as regiões que tem essas pequenas diferenças de orientação são chamadas de SUBGRÃOS. Os contornos de pequeno ângulo podem ser representados por arranjos convenientes de discordâncias. Contorno de pequeno ângulo resultante do alinhamento de discordâncias em cunha
- DEFEITOS DE EMPILHAMENTO são encontrados em metais CFC e HC. DEFEITOS BIDIMENSIONAIS: Defeitos de Empilhamento CFC