Curso: Engenharia Civil
Disciplina: Introdução a ciência dos materiais
Período: 3º
Turma: C
Turno: Noturno
Faculdade Pitágoras
Unidade Maceió
Imperfeições nos sólidos
Profº. Dr. José Atalvanio
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aula que trata das imperfeições presentes nos sólidos cristalinos.
Tipologia: Exercícios
2014
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Curso: Engenharia Civil Disciplina: Introdução a ciência dos materiais Período : 3º Turma : C Turno : Noturno
Faculdade Pitágoras
Unidade Maceió
Imperfeições nos sólidos
Profº. Dr. José Atalvanio [email protected]
Introdução
Tem sido assumido que materiais cristalinos apresentam perfeita ordem na escala
atômica;
No entanto, tais sólidos idealizados são raramente encontrados;
Muitos apresentam inúmeros defeitos ou imperfeições.
Defeitos cristalinos estão relacionados à irregularidade do retículo;
A classificação das imperfeições cristalinas é feita de acordo com a geometria ou
dimensionalidade do defeito;
Defeitos pontuais (associados a uma ou mais posições atômicas)
Vacâncias e auto-intersticial
A vacância é o defeito pontual mais simples (ausência de átomos); A síntese de qualquer material sólido apresentará vacância no produto final; A existência das vacâncias é explicada pela termodinâmica: a vacância aumenta a entropia (S) do sistema.
vacância (^) Átomo intersticial
Átomo substitucional pequeno
Átomo substitucional grande
Impurezas nos sólidos
Um metal puro nunca terá um único tipo de átomo; Impurezas ou átomos estranhos estarão sempre presentes e alguns existirão como defeitos pontuais cristalinos; Muitos metais não são altamente puros, são ligas nas quais átomos impuros são adicionados intencionalmente para conferir características específicas do material; As ligas são usadas nos metais para melhorarem a força e a resistência a corrosão;
Exemplo : A prata esterlina apresenta 92,5% de prata e 7,5% de liga de cobre. Em condições ambientes, a prata é altamente resistente a corrosão, no entanto, é muito mole. A liga com cobre melhora significantemente a resistência mecânica sem depreciar a resistência à corrosão.
Soluções sólidas
Formam-se quando átomos do soluto são adicionados ao material suporte, a estrutura cristalina é mantida e nenhuma nova estrutura é formada;
Uma solução sólida é composicionalmente homogênea;
Os átomos impuros são randomicamente e uniformemente dispersos no sólido;
Os defeitos pontuais impuros são encontrados nos sólidos de duas formas:
Substitucional: sólidos ou átomos impuros substituem os átomos hospedeiros.
Intersticial: os átomos do soluto ocupam os interstícios existentes no retículo. Os átomos intersticiais interferem na condutividade elétrica e no movimento dos átomos que formam o material.
Este movimento torna a liga mais dura e forte.
Um cátion bivalente substitui um cátion monovalente. Um segundo cátion monovalente deve ser removido provocando uma vacância.
Especificação da composição
Há duas maneiras de expressar a concentração ou composição de uma liga em termos de seus elementos constituintes:
Porcentagem em peso ou massa (massa %) e porcentagem atômica (p.a. %);
Sendo: C 1 = concentração da substância 1; m 1 = massa da substância 1; m 2 = massa da substância 2;
Para calcular a porcentagem atômica faz-se a relação do número de mol de um elemento pelo número de mols total dos elementos da liga.
Número de mols em uma massa específica:
= massa do elemento 1; A 1 = peso atômico do elemento 1.
Porcentagem em peso ou massa
porcentagem atômica
Fatores de conversão: Conversão kg/m^3 Densidade e peso atômico
Imperfeições diversas
Deslocamentos – defeitos lineares
Deslocamentos são defeitos lineares ou unidimensionais nos quais os átomos estão desalinhados.
Deslocamentos de aresta/ Deslocamentos lineares: são um defeito linear que centra-se na linha que defini-se ao longo de um plano extra de átomos;
Na região da linha de deslocamento há alguma distorção do retículo.
deslocamento helicoidal/parafuso
Aplica-se uma tensão de quebra para produzir distorção;
A região superior frontal do cristal é deslocada uma distância atômica à direita da porção inferior;
A distorção atômica associada com o deslocamento helicoidal é também linear e ao longo da linha de deslocamento (linha AB da figura);
Muitos deslocamentos presentes nos materiais cristalinos exibem os dois tipos de deslocamento, não apenas um tipo: deslocamentos mistas.
Os deslocamentos podem ser observados em materiais cristalinos usando técnicas de microscopia eletrônica.
As linhas escuras na figura ao lado são os deslocamentos.
Micrografia eletrônica de transmissão de alta ampliação.
Todos os materiais cristalinos contem algum tipo de deslocamento obtido durante a solidificação, deformação plástica e como consequência de bruscas temperaturas que resultam no rápido congelamento.
Os deslocamentos estão envolvidos na deformação plástica de materiais cristalinos em metais e cerâmicas.
Defeitos interfaciais
São fronteiras que apresentam duas dimensões e normalmente regiões separadas dos materiais que tem diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas.
Estas imperfeições incluem: superfícies externas, fronteiras granuladas, fronteiras de fase, fronteiras geminadas e falhas de empilhamento.
Superfícies externas
São uma das fronteiras mais óbvias;
Os átomos não estão ligados ao número máximo de vizinhos próximos e portanto, tem uma energia muito mais alta que os átomos mais internos.
Para reduzir esta energia os materiais tendem a reduzir sua área superficial;
Pequenos ângulos são obtidos quando tem-se uma substância como na imagem ao lado:
Esta é uma fronteira de inclinação.
Os átomos estão ligados menos regularmente distribuídos ;
Fronteiras granuladas são mais reativas quimicamente do que os grãos isolados;
Fronteiras granulares de grandes grãos tem energia superficial maior que aquelas formadas por grãos menores.
Mesmo com o arranjo desordenado dos átomos e perda da regularidade nas ligações, o material policristalino ainda é muito forte.
Fases das fronteiras
As fronteiras de fase existem em materiais multifásicos, onde uma fase diferente existe em ambos os lados da fronteira;
Cada uma das diferentes fases tem suas próprias características químicas e físicas;
As fronteiras de fase desempenham um papel importante na determinação de características mecânicas de algumas ligas metálicas.
Fronteiras geminadas
As fronteiras geminadas são um tipo especial de fronteira granulada onde há uma simetria de retículo especular;
Os átomos em um lado da fronteira estão localizados em posições de imagens especulares dos átomos do outro lado;
Impurezas nos sólidos
Uma liga é uma substância metálica que é composta de dois ou mais elementos;
Uma solução sólida pode formar-se quando átomos impuros são adicionados a um sólido, no qual a estrutura cristalina é mantida e nenhuma nova fase é formada;
Para soluções sólidas substitucionais, átomos impuros substituídos por átomos hospedeiros;
Soluções sólidas intersticiais formam-se para átomos de impureza relativamente pequena que ocupam posições intersticiais entre os átomos hospedeiros;
Para soluções sólidas substitucionais, solubilidade apreciável é possível somente quando diâmetros atômicos e eletronegatividades para ambos tipos de átomos são similares, quando ambos os elementos tem a mesma estrutura cristalina e quando os átomos impuros tem uma valência que é a mesma ou menor que o material hospedeiro;
Especificação da composição
A composição de uma liga pode ser especificada em porcentagem em massa ou porcentagem atômica;
Deslocamentos – defeitos lineares
Deslocamentos são defeitos cristalinos uni-dimensionais, dos quais há dois tipos: borda e helicoidal; Uma borda pode ser pensada em termos da distorção do retículo ao longo da extremidade de um meio-plano extra de átomos; Um eixo helicoidal assemelha-se a um parafuso. Para deslocamentos mistos, os componentes de ambos borda e helicoidal puros são encontrados; A magnitude e direção da distorção de retículo associada com o deslocamento são especificadas pelos seus vetores de Burgers.
As orientações relativas do vetor Burgers e linha de deslocamento são (1) perpendicular para borda, (2) paralelo para helicoidal e (3) nem perpendicular nem paralelo para mistos;