Aula_5_MSP_Imperfeições_Arranjos_Atômicos - Ligia - site

self-interstitial

distortion

of planes

self-interstitial

distortion

of planes

ESTO006-17: MATERIAIS E SUAS

PROPRIEDADES

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas (CECS)

Imperfeições em arranjos atômicos - Defeitos puntiformes - Impurezas - Soluções sólidas - Defeitos de linha - Defeitos bidimensionais - Observação da microestrutura

Defeitos Cristalinos

• DEFEITO CRISTALINO

: imperfeição do reticulado cristalino.

•

Classificação geométrica dos defeitos cristalinos:

• DEFEITOS PUNTIFORMES (associados com uma ou duas posições

atômicas): lacunas e átomos intersticiais, impurezas.

• DEFEITOS DE LINHA (defeitos unidimensionais): discordâncias

• DEFEITOS BIDIMENSIONAIS (fronteiras entre duas regiões com

diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações cristalográficas): contornos de grão, interfaces, superfícies livres, contornos de macla, defeitos de empilhamento.

• DEFEITOS VOLUMÉTRICOS (defeitos tridimensionais): poros, trincas e inclusões.

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.

O aumento 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.

• DEFEITOS DE NÃO EQUILÍBRIO. Exemplos: discordâncias, contornos de

grãos, interfaces e superfícies.

No caso do defeito de não equilíbrio, esta compensação não é possível. A

concentração de defeitos não depende diretamente do material e da temperatura.

Defeitos Puntiformes

• LACUNA : 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.

lacuna Representação de uma lacuna

e de um defeito auto-intersticial

lacuna

Defeitos Puntiformes

• Existe uma CONCENTRAÇÃO DE EQUILÍBRIO de lacunas.

lacuna Representação de uma lacuna

e de um defeito auto-intersticial lacuna auto-intersticial















kT

Q

N

N

exp

onde: N  número total de posições atômicas N_L  número de lacunas

Q_L  energia de ativação para formação de lacunas k  constante de Boltzmann

• AUTO-INTERSTICIAL

: é um átomo da rede (substitucional)

que ocupa uma posição que não é uma posição típica

da rede.

• Os defeitos auto-intersticiais causam uma grande

distorção do reticulado cristalino a sua volta.

auto-intersticial

• AUTO-INTERSTICIAL

: é um átomo da rede (substitucional)

que ocupa uma posição que não é uma posição típica

da rede.

• Os defeitos auto-intersticiais causam uma grande

distorção do reticulado cristalino a sua volta.

Profa. Sandra A. Cruz – Materiais e suas Propriedades/30 _{trimestre 2008}

self-interstitial

distortion

of planes

Calcule a concentração (átomos/cm3_{) de lacunas no cobre a 25}o_{C. A que}

temperatura será necessário aquecer este metal para que a concentração de lacunas produzidas seja 1000 vezes maior que a quantidade existente a 25oC?

Assuma que a energia para a formação de lacunas seja 13900x10-23 _{J/átomo e o}

parâmetro de rede para o cobre CFC é 3,6151x10-8 _cm.

k= 1,38x10-23 _{J/átomo K}

Solução:

O número de átomos ou posições na rede cristalina, por unidade de volume, do cobre é

para que N_L seja 1000 vezes maior,

Número de Lacunas: Exemplo

N = 4 átomos/célula = 8,47x1022 _{átomos Cu/cm}3

(3,6151x10-8_cm)3

N_L= 8,47x1022 _e-13900x10-23/(1,38x10-23 x 298) _{= 1,81x10}8 _{lacunas / cm}3

1,81x1011 _{= 8,47x10}22_e-13900x10-23/(1,38x10-23 x T)  T = 102 °C

• 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 % (1022_-1023 _{impurezas por cm}3_).

Representação de átomos de impurezas

SUBSTITUCIONAIS e INTERSTICIAIS SUBSTITUCIONAL INTERSTICIAL

• Impurezas

Defeitos Puntiformes

• Nos metais, as impurezas adicionadas intencionalmente são chamadas de

elementos de liga. A sua finalidade geralmente é:

- aumentar a resistência mecânica, a resistência à corrosão, a condutividade elétrica, etc...

Estes metais impuros são chamados de ligas.

Representação de átomos de impurezas

SUBSTITUCIONAIS e INTERSTICIAIS SUBSTITUCIONAL INTERSTICIAL

• Impurezas

Defeitos Puntiformes

OURO, PRATA e COBRE

LIGAS

Latão (Zn substitui o Cu no retículo)

08 quilates (33 % de ouro)

• Impurezas

• Impurezas

Defeitos Puntiformes

• Quando átomos de impureza são adicionados a um metal haverá a formação de:

– Uma solução sólida

A adição de átomos do soluto não modifica a estrutura

cristalina nem provoca a formação de novas estruturas.

– Uma segunda fase  região de diferente

composição e/ou estrutura

• Dependendo: - do tipo de impureza - da concentração - da temperatura da liga

Formação de segunda fase devido a alta concentração do átomo de

impureza

Diferente composição Diferente estrutura

• Impurezas:

Soluções Sólidas

Defeitos Puntiformes

Ex: Soluções líquidas

Água NaCl Solução Solvente Soluto

• Em uma liga

, o elemento presente em menor concentração

denomina-se

e aquele em maior quantidade,

.

Concentração Homogênea por toda a Solução

• Possui composição homogênea  Os átomos de

impureza se distribuem aleatoriamente e uniformemente no sólido.

• 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

• Impurezas:

Soluções Sólidas

Substitucionais Ex. Cu em Ni

Intersticiais Ex. C em Fe

1) Diferença entre raios atômicos <±15%

De outra forma o soluto criará distorções substanciais na rede e uma nova fase será formada

2) Mesma estrutura cristalina para os metais

3) Eletronegatividades semelhantes

A diferença de eletronegatividade favorece a formação de um composto intermetálico ao invés de uma solução

4) Valência maior do metal soluto = maior solubilidade

Maior contribuição de elétrons para a ligação metálica

Defeitos Puntiformes

Soluções Sólidas Substitucionais:

Regras de Solubilidade

(Hume – Rothery)

Cu 0,1278 CFC 1,9 +2 Ag 0,1445 CFC 1,9 +1 Al 0,1431 CFC 1,5 +3 Co 0,1253 HEX 1,8 +2 Cr 0,1249 CCC 1,6 +3 Fe 0,1241 CCC 1,8 +2 Ni 0,1246 CFC 1,8 +2 Pd 0,1376 CFC 2,2 +2 Zn 0,1332 HEX 1,6 +2

Elemento Raio atômico

(nm) Estrutura

Eletro

negatividade Valência

1) Mais

Al

ou

Ag

em

Zn

?

2) Mais

Zn

ou

Al

em

Cu

?

Solubilidades desprezíveis, estruturas diferentes. Al maior valência, mais solúvel.

Al (CFC), Zn (Hex). Al mais solúvel.

Defeitos Puntiformes

Soluções Sólidas Substitucionais:

Regras de Solubilidade

(Hume – Rothery)

Cu + Ni: são solúveis em todas as proporções

Valência +1 (as vezes +2) +2

Defeitos Puntiformes

Interstício tetraédrico (espaço

no centro do tetraedro formado

por 4 átomos)

Interstício octaédrico (espaço

no centro do octaedro formado

por 6 átomos)

Estrutura CFC

Defeitos Puntiformes

Soluções Sólidas Intersticiais:

Interstícios

Interstício tetraédrico

Interstício octaédrico

Estrutura CCC

Defeitos Puntiformes

Soluções Sólidas Intersticiais:

Interstícios

Composição de uma Liga

• CONCENTRAÇÃO EM MASSA

(ou peso) - porcentagem em massa

(ou peso) %p:



C

_A



m

A

m

_A



m

_B



100%

onde

m

é a massa (ou peso) dos elementos.

• CONCENTRAÇÃO ATÔMICA

- porcentagem atômica (%a):

onde N

e N

são os números de mol (números de átomos) dos

elementos A e B.

%

100







N

N

N

C

Defeitos Puntiformes

Composição de uma Liga: Exercício

1) Determine a composição, em porcentagem atômica,

de um liga que consiste em 97%p alumínio e 3%p de

cobre.

Dados: massa atômica do Al é 26,98 g/mol

massa atômica do Cu é 63,55 g/mol

Resposta:

Composição

da

liga,

em

porcentagem atômica, 98,7% at do Al e 1,30%

at do Cu.

Defeitos de Linha :

Discordâncias

•

Discordâncias

são imperfeições lineares em cristais.

• Em geral, são introduzidas no cristal durante a

solidificação do material ou quando o material é

deformado de modo permanente.

Defeitos de Linha :

Discordâncias

•Elas são praticamente úteis no

entendimento da deformação e

no

aumento

de

resistência

mecânica

dos materiais metálicos.

Discordância em cunha (ou Aresta)

é um defeito

provocado pela adição de um semiplano extra de átomos.

Discordância em cunha Linha de Discordância Compressão Tração Semiplano adicional

Defeitos de Linha :

Discordância em Cunha (ou Aresta)

b

Vetor de Burgers b

indica a magnitude e a direção da

Vetor de Burgers b

indica a magnitude e a direção da

distorção da rede cristalina

Deslocamento em cunha

b

Defeitos de Linha

Circuito de Burgers

Região com a rede cristalina distorcida

Discordância em Hélice (ou Espiral)

ocorre quando uma

região do cristal é deslocada de uma posição atômica.

Linha

de Discordância

Vetor de Burgers

Defeitos de Linha :

Discordância em Hélice (ou Espiral)

Átomos abaixo do plano  Pontos pretos

Átomos acima do plano  Pontos brancos

Discordância em Hélice (ou Espiral): Vetor de Burgers

Vetor de Burgers

Discordância em cunha:

• Vetor de Burgers perpendicular à linha de discordância

• Símbolo:

Discordância em hélice:

• Vetor de Burgers paralelo à linha de discordância

• Símbolo:

Defeitos de Linha :



Deformação plástica – Movimento de discordâncias

Defeitos de Linha :



Deformação plástica – Movimento de discordâncias

A discordância em cunha anda na

direção de aplicação das tensões. A discordância em hélice anda _{perpendicularmente à direção de} aplicação das tensões

Defeitos de Linha :

Discordância Mista

é o tipo mais provável de discordância e

corresponde à mistura de discordâncias em cunha e hélice.

Discordância mista: quando o ângulo entre a linha da discordância e o vetor de Burgers está entre 0 e 90°.

• Cada discordância tem somente um vetor de Burgers!!



Discordâncias mistas



Deformação plástica – Movimento de discordâncias

 Discordância mista:

• 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:

Movimento de

• 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.

• As discordâncias se

movimentam: Deformação plástica – Movimento de discordâncias

Defeitos de Linha



b .

Recapitulando

Defeitos de Linha:

Deslizamento

Deslizamento

é o processo que ocorre quando uma força

causa o deslocamento de uma discordância.

Deslizamento

ocorre mais facilmente em planos e em

direções com altos fatores de empacotamento.

Defeitos de Linha:

Deslizamento

ocorre mais facilmente em planos e em

direções com altos fatores de empacotamento:

Diferentes

estruturas

cristalinas



Diferentes

propriedades

mecânicas

Defeitos de Linha:

Deslizamento

Deslizamento e Tensão de Peierls-Nabarro

A tensão necessária para o deslocamento entre duas posições de

equilíbrio é:

Durante um deslizamento, uma discordância se move de um conjunto

de átomos vizinhos para outro conjunto idêntico.



= ce

-(k

d

/

b

)

Onde:



= tensão necessária para mover a discordância

d = distância interplanar

b = vetor de Burgers

k, c constantes

(Tensão de Peierls-Nabarro)

> densidade linear, > deslizamento

(> espaçamento planar, <



, > deslizamento)

Observação das Discordâncias

• Diretamente

TEM

ou

HRTEM

• Indiretamente

SEM

e

MO

(após ataque químico

seletivo)

TEM ou MET: microscopia eletrônica de transmissão

HRTEM: microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução

SEM ou MEV: microscopia eletrônica de varredura

MO: microscopia óptica

Microscopia Ótica Feixe de luz visível refletida (metais) ou transmitida

Microscopia Eletrônica  Feixe de elétrons refletido ou transmitido

Defeitos Bidimensionais

• Contornos de grão

• Superfície externa

• Contorno de macla

• Defeitos de empilhamento

• Interface

Contorno de grão

Contorno de subgrão

Defeitos Bidimensionais:

Contornos de Grão

CONTORNOS DE GRÃO

:

contornos entre dois cristais sólidos da

mesma fase.

• Quando o desalinhamento entre os GRÃOS vizinhos é grande (maior que ~15o_{), o}

contorno formado é chamado CONTORNO DE GRÃO ou CONTORNO DE ALTO ÂNGULO. • 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

Contorno de grão

Contorno de subgrão

• Regiões entre cristais

• Ligeiramente desordenados

• Baixa densidade de contorno

de grãos:

– Alta mobilidade

– Alta difusividade

Defeitos Bidimensionais:

Contornos de Grão

CONTORNOS DE GRÃO

:

contornos entre dois cristais sólidos da

mesma fase.



Ligações mais irregulares



maior energia superficial

• É o defeito cristalino que causa maior distúrbio na estrutura e, portanto, apresenta maior energia (livre) por unidade de área (equivalente à tensão superficial)

• A energia está associada com as ligações rompidas ou insatisfeitas.

SUPERFÍCIE EXTERNA

:

• Pode ocorrer durante a solidificação, deformação plástica, recristalização ou crescimento de grão.

• Tipos de macla: MACLAS DE RECOZIMENTO e MACLAS DE DEFORMAÇÃO.

• A maclação ocorre em um plano cristalográfico determinado segundo uma direção

cristalográfica específica. Tal conjunto plano/direção depende do tipo de estrutura cristalina.

Ex: Maclação mecânica em metais CFC

Defeitos Bidimensionais:

Contornos de Macla

CONTORNO DE MACLA: tipo especial de contorno de grão que separa duas regiões com uma simetria tipo ”espelho”.

• Pode ocorrer durante a solidificação, deformação plástica, recristalização ou crescimento de grão.

• Tipos de macla: MACLAS DE RECOZIMENTO e MACLAS DE DEFORMAÇÃO.

Defeitos Bidimensionais:

Contornos de Macla

CONTORNO DE MACLA: tipo especial de contorno de grão que separa duas regiões com uma simetria tipo ”espelho”.

São encontradas em metais CFC e HC.

Defeitos Bidimensionais:

Defeitos de Empilhamento

CFC

DEFEITOS DE EMPILHAMENTO: ocorre nos materiais quando há uma interrupção na seqüência de empilhamento.

Interfaces coerentes livres de tensões de coerência



Interfaces

• São as fronteiras entre duas fases diferentes.

• Podem ser coerentes (menor energia), semicoerentes e incoerentes (maior energia)

Interface semicoerente com discordâncias em cunha para ajustar a coerência



Interfaces

• São as fronteiras entre duas fases diferentes.

• Podem ser coerentes (menor energia), semicoerentes e incoerentes (maior energia)

Interface incoerente



Interfaces

• São as fronteiras entre duas fases diferentes.

• Podem ser coerentes (menor energia), semicoerentes e incoerentes (maior energia)

Observação Microestrutural de Defeitos

Bidimensionais

• Observação estrutural: macroestrutura e microestrutura.

• Observação da macroestrutura: a olho nu ou com baixos aumentos (até

~10X).

• Observação da microestrutura: microscopia óptica e microscopia

eletrônica.

Macroestrutura de um lingote de chumbo apresentando os

(a) e (b) Formação do contraste entre grãos e maclas de recozimento.

(c) Micrografia óptica de um latão (Cu-Zn) policristalino. Aumento: 60X.

(a) e (b) Formação da imagem dos contornos de grão.

(c) Micrografia óptica de uma liga Fe-Cr. Aumento: 100X. (a) (b) (c)

Observação Microestrutural

(microscopia óptica)

- Inclusões:

impurezas estranhas.

- Precipitados

: são aglomerados de partículas cuja composição

difere da matriz.

- Fases:

forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de

liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado).

- Porosidade:

origina-se devido a presença ou formação de gases.

Possuem escalas muito maiores.

Esses defeitos

normalmente são introduzidos nos processos

de fabricação

, e podem afetar fortemente as propriedades dos

produtos

Defeitos em Volume:

Inclusões

INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE I (Cu₂O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%)

SULFETOS DE MANGANÊS (MnS) EM AÇO RÁPIDO.

As Figuras abaixo apresentam a superfície de ferro puro durante o seu

processamento por metalurgia do pó. Nota-se que, embora a sinterização tenha

diminuído a quantidade de poros bem como melhorado sua forma (os poros estão mais arredondados), ainda permanece uma porosidade residual.

COMPACTADO DE PÓ DE FERRO.

COMPACTADO DE PÓ DE FERRO APÓS SINTERIZAÇÃO.

A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ PERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DE DUAS

FASES: FERRITA (OU FERRO-A) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO).

Defeitos em Volume:

Presença de Partículas de

Microestrutura da liga Al-Si-Cu + Mg mostrando diversas fases precipitadas.

Contorno de grão

Defeito pontual

Defeitos e Resistência Mecânica

Compressão Separação

- Endurecimento por deformação (encruamento) - Endurecimento por solução sólida