Aula 05 - Imperfeições cristalinas

Imperfeições Cristalinas

Imperfeições Cristalinas

Por quê estudar?

Afetam o comportmento dos materiais:

 Condutividade elétrica  Condutividade elétrica  Deformação plástica

A t d i tê i â i Aumento da resistência mecânica Difusão

 Defeitos pontuais

 Defeitos de linha (discordâncias)

 Defeitos de interface (grão e maclas)  Defeitos de interface (grão e maclas)

 Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados) 3

O que é um defeito

É uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal periódico regular dos átomos em um cristal.

P d l i l id d

Podem envolver uma irregularidade  na posição dos átomos

 no tipo de átomos

O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das , ,

Imperfeições estruturais

 Apenas uma pequena fração dos sítios atômicos são imperfeitosp

Menos de 1 em 1 milhão Menos de 1 em 1 milhão

 M d l i fl i it

 Menos sendo poucos eles influenciam muito nas propriedades dos materiais e nem

d f ti

sempre de forma negativa

Imperfeições estruturais

Exemplos

o O processo de dopagem em semicondutores visa criar

imperfeições para mudar o tipo de condutividade em imperfeições para mudar o tipo de condutividade em determinadas regiões do material

o A deformação mecânica dos materiais promove a formação o A deformação mecânica dos materiais promove a formação

de imperfeições que geram um aumento na resistência mecânica (processo conhecido como encruamento)

o Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias)

apresentam resistência maior que 70GPa, enquanto o ferro i d t 270MP

Imperfeições estruturais

São classificados de acordo com sua geometria ou dimensões

Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2

posições atômicas

ou d mensões

posições atômicas

Defeitos lineares uma dimensão

Defeitos lineares uma dimensão

Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras)

Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimensões

Defeitos volumétricos três dimensões

Defeitos Pontuais

Ocorrem em sólidos iônicos

 Frenkel

Vacâncias ou lacunas

 E l f l d á

 Envolve a falta de um átomo

f d d

 São formados durante a

solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais)

p ç )

Vacâncias ou lacunas

O número de vacâncias aumenta exponencialmente O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura

Nv= N exp (-Qv/KT)

Nv= número de vacâncias

N= número total de sítios atômicos N= número total de sítios atômicos

Qv= energia requerida para formação de vacâncias

K= constante de Boltzman = 1 38x1023_{J/at K ou}

K= constante de Boltzman = 1,38x1023_{J/at.K ou}

Intersticiais

 Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal)

(do próprio cristal)

 Produz uma distorção no reticulado, já

át l t é i

que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício

 A formação de um defeito

(auto)intersticial implica grandes deformações na rede, sendo menos provavel que uma lacuna

Intersticiais

Átomo intersticial pequeno Átomo intersticial grande

Átomo intersticial pequeno Gera maior distorção na rede

Defeito de Frenkel

 Ocorre em sólidos iônicos  Ocorre quando um íon sai

d s si ã l

de sua posição normal e vai para um interstício

Defeito de Schottky

Impurezas nos sólidos

Um metal considerado puro sempre tem Um metal considerado puro sempre tem

impurezas (átomos estranhos) presentes

99,9999% = 1022_-1023 _{impurezas por cm}3

A presença de impurezas pr m ve a f rmaçã A presença de impurezas promove a formação

Impurezas nos sólidos – Ligas metálicas

As impurezas (p (chamadas elementos de ligag ) são ) adicionadas intencionalmente com a finalidade: - aumentar a resistência mecânica

t i tê i à ã

- aumentar a resistência à corrosão - Aumentar a condutividade elétrica - Etc.

Impurezas nos sólidos – Ligas metálicas

Podemos controlar a quantidade de impurezas para formar:

Soluções sólidas

<

l b l d d

formar:

solubilidade

Segunda fase

>

Segunda fase

>

solubilidade A solubilidade depende : A solubilidade depende : Temperatura Tipo de impureza Tipo de impureza Concentração da impureza

Impurezas nos sólidos – Ligas metálicas

Elemento de liga ou Impureza

soluto

(< quantidade)

Matriz ou Hospedeiro

Solvente

(>quantidade)

Solvente (>quantidade)

Ex: Prata Sterling

(925)

Soluções sólidas

Nas soluções sólidas as impurezas podem ser: - Intersticial

Substitucional

Soluções sólidas intersticiais

 Os átomos de impurezas ou os elementos de liga

d í

ocupam os espaços dos interstícios

 Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro

atômico bem menor que o hospedeiro

 Como os materiais metálicos tem geralmente  Como os materiais metálicos tem geralmente

fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas intersticiais são relativamente pequenas

Geralmente, no máximo 10% de impurezas são

i d i í i

incorporadas nos interstícios

Soluções sólidas intersticiais

Fe + C

A solubilidade máxima do C no Fe é 2 1% a A solubilidade máxima do C no Fe é 2,1% a

910 C (Fe CFC)

O C tem raio atômico bastante pequeno

p q

se comparado com o Fe

raio atômico do C= 0,071 nm= 0,71 A raio atômico do Fe= 0,124 nm= 1,24 A

Soluções sólidas Substitucionais

Fatores de influência

 Raio atômico deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover p p

distorções na rede e assim formação de nova fase  Mesma estrutura cristalina

 Eletronegatividade próximasEletronegat v dade próx mas

 Valências químicas similares  não devem diferir  Valências químicas similares  não devem diferir

mais que uma unidade

Exemplos de solução sólida substitucional

Cu + Nisão solúveis em todas as proporções Cu + Nisão solúveis em todas as proporções

Cu Ni

Cu Ni

Raio atômico 0,128nm=1,28 A 0,125 nm=1,25A

Estrutura CFC CFC

Eletronegatividade 1,9 1,8

Defeitos lineares - discordâncias

 As discordâncias estão associadas com a

cristalização e a deformação (origem: térmica

cristalização e a deformação (origem: térmica,

mecânica e supersaturação de defeitos pontuais)

 A presença deste defeito é a responsável pela

d f ã f lh t d t i i

deformação, falha e ruptura dos materiais Podem ser:

- Aresta (cunha)Aresta (cunha) - Hélice

Mi t - Mista 25

Defeitos lineares - discordâncias

Vetor de Burgers (b) Vetor de Burgers (b)

 Dá it d di ã d di t ã

 Dá a magnitude e a direção de distorção da rede

 Corresponde à distância de deslocamento p dos átomos ao redor da discordância

Discordâncias em aresta

Envolve um SEMI-plano

Envolve um SEMI plano extra de átomos

O vetor de Burger é

perpendicular à direção

perpendicular à direção da linha da discordância Envolve zonas de tração e

compressão compressão

Discordâncias em hélice

Discordâncias em hélice

DISCORDÂNCIA EM HÉLICE NA SUPERFÍCIE DE UM MONOCRISTAL DE SiC. AS LINHAS ESCURAS

SÃO DEGRAUS DE ESCORREGAMENT SUPERFICIAIS. (Fig. 5.3-2 in Schaffer et al.).

Discordâncias em hélice

Discordância em hélice em liga Al 4%Cu Discordância em hélice em liga Al-4%Cu.

Discordâncias no TEM

Discordâncias no HRTEM

Considerações gerais

A tid d i t d di dâ i d t l d

 A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados

pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos

 Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de

deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas

 Impurezas tendem a difundir-se e concentrar-se em torno das  Impurezas tendem a difundir se e concentrar se em torno das

Considerações gerais

 O cisalhamento se dá mais facilmente nos planos de maior densidade p atômica, por isso a densidade das mesmas depende da orientação cristalográfica

 As discordâncias geram vacâncias

 As discordâncias influem nos processos de difusão  As discordâncias influem nos processos de difusão

 As discordâncias contribuem para a deformação plástica

3-Defeitos planos ou interfaciais

Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) l

e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações

l áf

cristalográficas

 Superfície externa  Contorno de grão  Contorno de grão

 Fronteiras entre fases M l

 É i ób i

Superfícies externas

 É o mais óbvio

 N fí i át

 Na superfície os átomos não estão completamente ligados

ligados

 Então o estado energia dos  Então o estado energia dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal

q

Os materiais tendem a Figure: Si (111) 7 × 7 by NC-AFMScan Size: 13 nm × 13 nm

C til Pi R i ti t ( d b SII)

m m

minimizar esta energia Cantilever: Piezo Resistive type (made by SII)Frequency shift: -33 Hz

Ichiro Shiraki NIMS, Miki group

Contorno de grão

 Corresponde à região que separa dois p g q p ou mais cristais de orientação

diferente

um cristal = um grão

 No interior de cada grão todos os

á ã j d d

átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação,

caracterizada pela célula unitária caracterizada pela célula unitária

Formação dos Grãos

 pela presença dos  pela presença dos grãos circunvizinhos O tamanho de grão é O tamanho de grão é controlado controlado  Composição  Taxa de cristalização ou solidificação 41

Considerações gerais contorno grãos

 Há uma energia mais elevada

l d

 Favorece a nucleação de novas fases (segregação)

f d f

 favorece a difusão



d

Monocristal e policristal

Monocristal

Monocristal: Material com apenas uma

l é

orientação cristalina, ou seja, que contém apenas um grão

P l l

P l l M l d

Policristal

Policristal: Material com mais de uma

orientação cristalina, ou seja, que contém

á ã

vários grãos