PMT2100 aula03, Notas de aula de Engenharia Mecânica

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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 2007

DEFEITOS CRISTALINOS

Defeitos Cristalinos

• Defeitos puntiformes
• Impurezas
• Soluções sólidas
• Defeitos de linha
• Defeitos bidimensionais
• Observação da Microestrutura

OBJETIVO

ROTEIRO

• Apresentar os principais tipos de defeitos cristalinos dos

materiais de engenharia.

Defeitos Cristalinos

• Classificação termodinâmica dos defeitos cristalinos:

Os defeitos cristalinos também podem ser classificados em:

• DEFEITOS DE EQUILÍBRIO. Exemplos: defeitos puntiformes, tais como lacunas e autointersticiais.
• DEFEITOS DE NÃO EQUILÍBRIO. Exemplos: discordâncias, contornos de grãos, interfaces e superfícies.

No caso dos defeitos de equilíbrio, o aumento de energia interna ou de entalpia envolvido na criação do defeito é compensado pelo aumento de entropia e, neste caso, para cada material e temperatura existe uma concentração de equilíbrio do defeito. No caso do defeito de não equilíbrio, esta compensação não é possível.

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 (^) 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

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^8

• 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. Exemplos: latão (Cu e Zn), bronze (Cu e Sn), monel (Cu e Ni).

• SOLUÇÃO SÓLIDA INTERSTICIAL: os átomos de soluto ocupam os

interstícios existentes no reticulado. Exemplo: carbono em ferro.

Defeitos Puntiformes em Sólidos Iônicos^10

• A neutralidade elétrica tende a ser respeitada.
• DEFEITO SCHOTTKY : lacuna aniônica + lacuna catiônica
• DEFEITO FRENKEL : cátion intersticial + lacuna catiônica

Defeitos Puntiformes em Sólidos Iônicos 11

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, Fe2+^ e Fe3+. Isso, aliado à necessidade de se manter a neutralidade elétrica do sólido iônico cristalino, leva à não-estequiometria do óxido de ferro.

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.

• A magnitude e a direção da

distorção do reticulado

associada a uma discordância

podem ser expressas em

termos do VETOR DE BURGERS,

• O vetor de Burgers pode ser

determinado por meio do

CIRCUITO DE BURGERS.

• O vetor de Burgers fornece o

módulo e a direção do

escorregamento; ele é paralelo

à direção do fluxo (ou

movimento do material), não

sendo necessariamente no

mesmo sentido.

Defeitos de Linha

Circuito de Burgers Discordância em Cunha Circuito de Burgers Discordância em Hélice

r b.

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

Defeitos Bidimensionais

• 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”.

• 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.

• A MACLA é um tipo de defeito

cristalino que pode ocorrer durante a solidificação, deformação plástica, recristalização ou crescimento de grão.

• Tipos de macla: MACLAS DE RECOIMENTO e

MACLAS DE DEFORMA ÇÃO.

• A maclação ocorre em um plano cristalográfico determinado segundo uma direção cristalográfica específica. Tal conjunto plano/direção depende do tipo de estrutura cristalina.

Contorno de macla Maclação mecânica em metais CFC

Defeitos Bidimensionais: Contornos de Macla

• DEFEITOS DE EMPILHAMENTO são encontradas em metais CFC e HC.

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.

Defeitos Bidimensionais: Defeitos de Empilhamento

CFC