Notas de aula 6

(1)

Lacuna: É o mais simples dos defeitos pontuais. É um espaço vazio na rede que

normalmente deveria estar ocupado. Ou seja, está faltando um átomo. Os materias

reais sempre possuem lacunas. Fazendo um cálculo da entropia do cristal, é possível

obter o número de lacunas em equilibrio para uma dada temperatura:

Imperfeições em sólidos

Defeitos pontuais

Defeitos cristalinos:

irregularidades na rede cristalina em uma ou

mais dimensões da ordem do diâmetro atômico.

Defeito intersticial: É um átomo do cristal que está fora do lugar, comprimido em

algum espaço intersticial que normalmente estaria vazio. Em metais, esse tipo de

defeito perturba bastante a rede cristalina, pois geralmente o átomo é maior que o

espaço vazio que está ocupando de maneira forzada.

exp







_



_





l

Q

N

kT

N: número total de sítios atômicos

(por m3₎

Q_l: energia necessária para formar uma lacuna (J/mol ou eV/átomo)

k: constante de Boltzmann (1.38 10-23 _J/K))

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Impurezas nos sólidos

A figura representa os dois tipos de defeitos pontuais:

Um material puro formado completamente por apenas um tipo de átomo não existe no

mundo real. Sempre existiram átomos diferentes ou impurezas como defeitos puntuais.

Resulta muito dificil conseguir purezas superiores e 99.9999 %, ficando da ordem de

10

22

– 10

23

_{átomos de impurezas por m}

3

_{de material.}

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Usualmente nos metais são adicionadas impurezas propositalmente com o objetivo de obter ligas.

Em soluções sólidas (que é uma forma de como podemos pensar as ligas), usualmente são utilizados os termos soluto e solvente. Solvente é o elemento que está em maior proporção, e soluto o que está em menor proporção.

Quando dois líquidos solúveis, como água e álcool, são misturados, obtemos uma solução liquida homogênea. Analogamente podemos pensar uma solução sólida, na medida que o soluto é adicionado ao material hospedeiro (solvente), os átomos dessas impurezas vão se distribuindo de forma aleatória.

Nesse caso, as impurezas vão se acomodar no material hospedeiro de duas formas:

a) Substitucional: A impureza substitui um átomo hospedeiro (exemplo Cu-Ni).

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Regras de Hume-Rothery: Resumem características que devem existir entre os átomos de soluto e solvente essencialmente em metais (são empíricas) no caso substitucional:

a) Fator de tamanho atômico: Quando a diferença entre os raios atômicos é menor que 15 % (para mais ou para menos) , será possível dissolver grandes quantidades de soluto no solvente. Caso contrario, o soluto vai gerar deformações importantes na rede.

b) Estrutura cristalina: Para que exista solubilidade, os dois metais devem ter a mesma estrutura cristalina.

c) Eletronegatividade: Quanto maior a diferença de eletronegatividades, haverá maior probabilidade de formar um composto intermetálico que uma solução substitucional.

d) Valências: Se as outras características são iguais, entre dois metais que atuem como solvente, outro metal tenderá a se dissolver naquele de maior valência .

Para o caso das intersticiais, no caso das estruturas BCC e FCC , temos dois tipos de interstícios: tetraédrico e octaédrico. Se distinguem entre eles pelo número de coordenação: 4 para os tetraédricos e 6 para os octaédricos.

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Para uma rede FCC, temos dois tipos de sítios octaédricos, caracterizados pelos pontos: 0 ½ 1, e ½ ½ ½. No caso do sitio tetraédrico, temos o ponto ¼ ¾ ¼ . Para BCC, temos o ponto ½ 1 0 para o caso octaédrico, e 1/ ½ ¼ para o tetraédrico.

z

x

y

z

x

y

Geralmente o diâmetro dos átomos “impureza” deve ser pequeno, porque em metais o fator de

empacotamento é elevado, e os interstícios são pequenos. Por isso, a concentração máxima permitida de impureza acostuma ser pequena, menor a 10 %. Mas ainda no caso de impurezas pequenas, costuma se gerar alguma deformação na região da rede próxima dessas impurezas.

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Discordâncias. Defeitos lineares

Um defeito linear ou unidimensional, em torno do qual alguns átomos estão desalinhados, é chamado discordância. Quando temos um plano ou semiplano de átomos adicional, tal que sua aresta termina no interior do cristal, temos uma discordância em cunha.

b

ff

A linha definida pelo extremo do semiplano adicional de átomos, chamada linha de discordância, centraliza esse tipo de defeito linear. Essa linha é perpendicular ao plano do slide. Os átomos acima da linha de discordância estão comprimidos, e os que estão abaixo estão afastados. A discordância está indicada pelo símbolo , quando o plano está acima, e pelo símbolo , quando está abaixo. A magnitude e direção da discordância está representada pelo vetor , chamado vetor de Burges. Em uma discordância em cunha, o vetor de Burges é perpendicular à linha de discordância.

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Quando é aplicada uma tensão de cisalhamento, é produzida uma distorção helicoidal, como mostrados na seguinte figura:

Este tipo de discordância também é linear, sendo indicada pela linha AB. Agora o vetor de Burges é paralelo à linha de discordância. O nome helicoidal pode ser entendido da vista superior da discordâncias, onde os átomos parecem seguir uma helicóide, como os filetes de uma rosca. O símbolo desse tipo de distorção é .

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As discordâncias não costuma ser nem puramente em unha nem puramente helicoidais, senão que aparecem como uma mistura de ambas, sendo chamadas mistas. Na parte curva da discordância da seguinte figura está representada a discordância mista (notar que a discordância muda ao longo da linha de discordância, mas não o vetor de Burges):

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As discordâncias podem ser observadas por técnicas de microscopia, como por exemplo microscopia eletrônica de transmissão, como mostrado na seguinte figura (liga de titânio), com uma ampliação de 50000X.

As discordâncias são as linhas escuras.

As discordâncias são introduzidas nos materiais cristalinos durante a solidificação, durante a de formação plástica, ou durante um resfriamento rápido.

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Defeitos interfaciais

São contorno de duas dimensões, que muitas vezes separam regiões de material com estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas diferentes. Temos quatro tipos:

a) Superfícies externas:

Na superfície na qual termina a estrutura do material, os átomos não estão ligados ao máximo numero de vizinhos possível, ficando em um estado de energia maior que os átomos no interior do cristal. Isso gera uma energia de superfície em unidade de energia por unidade de superfície (J/m2_).

b) Contornos de grão:

Separa grãos ou cristais do material que tem diferentes orientações ou orientações cristalográficas em materiais policristalinos. O contorno possui uma dimensão de alguns átomos.

Vemos que temos no contorno uma transição na orientação cristalina de uma grão para outro grão adjacente. Está indicado o ângulo de desorientação, que chamamosq.

q

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Quando o desajuste da orientação é pequeno (poucos graus), temos um contorno de grau de baixo ângulo. Então, é possível descrever o contorno como um conjunto de discordâncias, como mostrado na seguinte figura:

No caso da figura temos o contorno alinhando várias discordâncias em cunha. Essa classe de contorno é chamado contorno de inclinação. Se tivéssemos o ângulo de desorientação paralelo ao contorno, teríamos um contorno de torção, que pode ser descrito por uma conjunto de discordâncias espirais.

Os átomos estão dispostos de forma mais irregular nos contornos de grau, gerando uma energia interfacial, com uma magnitude que é função do nível de desorientação, sendo maior para contornos de alto ângulo.

Ainda que tenhamos uma ligação mais irregular nos contornos, um material policristalino ainda é bem resistente, devido a forças de coesão atraves dos contornos.

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c) Contornos de fase:

Aparecem em materiais com várias fases diferentes em cada um dos lados do contorno, cada uma com propriedades físicas e químicas próprias.

d) Contornos de macla:

Nesse caso temos uma simetria em espelho da rede cristalina no contorno de grão, tal como mostrado na seguinte figura:

A região divisória é denominada macla. As maclas acontecem em planos cristalográficos e direções definidas, sendo produzidas por forças mecânicas de cisalhamento (maclas de deformação, por exemplo metais BCC e HCP), e por aplicação de tratamentos térmicos de recozido logo de uma deformação (maclas de recozimento, por exemplo em metais FCC),

e) Outros defeitos interfaciais:

Podemos incluir as falhas de empilhamento e as paredes de domínio ferromagnético. As primeiras aparecem em metais FCC quando a seqüência de empilhamento ABCABCABC... doa planos compactos é interrompida. As segundas o contorno separa regiões com diferentes direções de magnetização, chamadas domínios.

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Defeitos Volumétricos

Esses defeitos incluem poros, trincas, inclusões exógenas e outras fases. São defeitos muito maiores que todos os anteriores, e são introduzidos nas etapas de fabricação do material.

Microscopia

Conceitos fundamentais

Quando temos estruturas ou detalhes de dimensões microscópicas, não é possível observar-los a olho nu. Algumas vezes grãos macroscópicos aparecem, como no caso da seguinte figura num lingote de cobre:

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Técnicas de microscopia

Microscopia óptica:

As parte fundamentais de um microscópio óptico são mostradas na seguinte figura (microscópio composto: ocular + objetiva)

Porem, na maioria dos casos, detalhes como o tamanho de grão, tem dimensões microscópicas (chamadas nesse caso microestruturas) , sendo então necessário utilizar algum tipo de microscópio. Atualmente praticamente todas as técnicas de microscopia tem incorporado algum equipamento fotográfico, com o qual é possível obter uma micrografia.

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Aumento total: M

_{transv. Obj.}

M

_{ang. Ocul.}

Exemplo: Objetiva 20 X

Ocular 10X

Aumento Total: 200 X

Aumento transversal

.

i

transv Obj

o

y

M

y



Lente

Aumento angular

Ponto próximo

.

a

ang Ocul

u

M





Lente

.

a

ang Ocul

u

M





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Para os materiais opacos na faixa de comprimentos de onda do visível (todos os metais e muitos materiais cerâmicos e poliméricos) é possível observar apenas a superfície, ou seja, o microscópio atua no modo de reflexão:

Os diferentes tons ou colores que podemos observar correspondem às diferentes refletividades em cada uma das regiões microscópicas. O estudo dos diferentes parâmetros que são possíveis de obter com a imagem chama-se metalografia, porque foram os metais os primeiros a ser observados dessa forma.

Para poder obter um estudo satisfatório, a superfície deve ser tratada. Primeiro deve ser polida até obter um acabado liso e espelhado, através do uso de lixas e abrasivos cada vez mais finos, antes de aplicar um ataque químico. Isso permite observar os diferentes grãos, já que em uma amostra policristalina, a reatividade química depende da orientação cristalográfica, como na seguinte figura de latão policristalino:

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Também é possível os contorno de grão, já que nessas regiões o material é mais reativo ao ataque químico.

(18)

Microscopia eletrônica:

quando o aumento de um microscópio óptico não é suficiente, são utilizados os microscópios eletrônicos. Eles utilizam um feixe de elétrons em lugar de luz. Um elétron tem associado um comprimento de onda que é inversamente proporcional a sua velocidade. Utilizando altas tensões é possível acelerar muito os elétrons, conseguindo comprimentos de onda ~0.003 nm (3 pm). O feixe de elétrons é focado com lentes magnéticas, obtendo-se um sistema equivalente ao dos sistemas ópticos. Tem dois tipos de microscópio eletrônico:

a)

Microscopia

eletrônica

de

transmissão

(TEM,

Transmission

Electron

Microscopy):

O feixe de elétrons passa através da amostra, fazendo acessíveis a microestrutura interna da mesma. Para que o material da amostra não acabe absorvendo os elétrons, a mesma deve ser preparada na forma de filme fino. O feixe transmitido faz possível visualizar a imagem resultante, ao impactar em uma tela fluorescente.

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b) Microscopia eletrônica de varredura (SEM, Scanning Electron Microscopy):

O feixe de elétrons, que vá varrendo a amostra, é refletido pela mesma, sendo coletado o feixe refletido para gerar a imagem. Essa imagem vai mostrar as características superficiais da amostra. A amostra agora pode estar ou não polida, mas precisa ter um revestimento metálico superficial muito fino, caso o material não seja condutor.

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Microscopia de varredura por sonda (SPM, Scanning Probe Microscopy)

Tema vários tipos de SPM, como ser o microscópio de força atômica (AFM, Atomic Force

Microscope), ou microscopia de varredura de capacitância (SCM, Scanning Capacitance Microscope). Este tipo de microscópio não utiliza luz nem elétrons, senão que tem uma

sonda minúscula, com uma ponta muito fina que fica muito próxima da superfície da amostra. Essa ponta efetua uma varredura da superfície da amostra, e através de interações eletrônicas (ou de outra natureza) consegue levantar um mapa topográfico 3D da superfície dessa amostra.

Os máximas aumentos possíveis estão em torno a 1000000X, com resolução < 0.1 nm no TEM, e ~1 nm no SEM.