Materiais Metálicos
Defeitos Planares e Volumétricos
Defeitos Planares
São defeitos que se estendem em uma
determinada área do sólido cristalino.
Os defeitos planares mais comuns são:
Contornos de grãos. Maclas.
Falhas de empilhamento. Superfícies.
Contornos de grãos (grain boundaries)
Os sólidos cristalinos monofásicos são geralmenteformados por aglomerados de domínios com mesmas estruturas cristalinas mas orientações cristalinas diferentes.
Cada um destes domínios é denominado “grão” e o
sólido é classificado como policristalino.
Cada grão tem dimensões finitas e a região de
transição entre um grão e o grão vizinho é denominada contorno de grão.
Contornos de grãos - estruturas
Ângulos de desajuste θ
Posição definida por 2 ângulos de Euler
Contornos de grãos (grain boundaries)
Contornos de grãos de alto e baixo ângulo
Contornos de grãos de alto ângulo (
>
10º) São os contornos de grãos propriamente ditos, onde há
uma região de transição separando dos cristais de orientações diferentes.
Contornos de grãos de baixo ângulo (
≤
10º) São melhor representados por uma configuração
relativamente simples de discordâncias (em geral, uma parede de discordâncias em cunha).
Contornos de grãos (grain boundaries)
Contorno de baixo ângulo (≤ 10º)
Contornos de baixos ângulos de inclinação: São melhor
representados por uma configuração relativamente simples de discordâncias (em geral, uma parede de discordâncias em
Contornos de grãos (grain boundaries)
Contorno de alto ângulo (> 10º)
São os contornos de grãos propriamente ditos, onde há uma
região de transição separando dos cristais de orientações diferentes.
Contornos de grãos (grain boundaries)
Coincidência
Apesar de incoerentes, os contornos de grão podem
apresentar coincidências na correspondência atômica entre os grãos vizinhos.
Ex: 1 sítio coincidente em cada 7, 1/7 de sítios coincidentes
Contornos de Maclas (twinning boundaries)
Maclas
São defeitos planares que
consistem da formação de uma lamela no interior do cristal, com orientação cristalina relacionada com a do cristal original.
A macla produz uma imagem
especular da rede original.
O plano de simetria que relaciona
a região “maclada” da região “não-maclada” do cristal é chamada plano de macla ou contorno de macla.
No contorno de macla, temos
Contornos de Maclas (twinning boundaries)
Formação das maclas
As maclas se formam em metais HCP, como Mg e
Zn, deformados a temperatura ambiente.
Metais CCC, como o ferro, podem formar maclas
quando deformados a temperaturas sub-ambientes.
As maclas podem se forma também durante o
recozimento de amostras deformadas.
Alguns metais e ligas CFC podem formar maclas
após deformados e recozidos, tais como Cu, latão – α e aços inoxidáveis austeníticos.
Falhas de empilhamento (stacking faults)
Este é um defeito planar que se dá pela
empilhamento “errado” dos planos cristalinos de uma determinada estrutura cristalina.
Em estruturas compactas, do ponto de vista das
ligações atômicas, não há grandes diferenças entre as seqüências de empilhamento dos planos
compactos, que pode ser ABCABCABC... nos metais CFC e ABABABA... nos metais HCP.
Um arranjo com falha de empilhamento poderia ser
observado num metal CFC que apresentasse a
Falhas de empilhamento (stacking faults)
Ex: Seqüência curta de falha de empilhamento
Falhas de empilhamento (stacking faults)
A dissociação de uma discordância em duas
discordâncias parciais gera uma região de falha de empilhamento entre as discordâncias parciais.
Dissociação de discordância num metal CFC que
Falhas de empilhamento (stacking faults)
A energia de falha de empilhamento é dada por:
Onde G é o módulo de cisalhamento, b é o vetor de Burgers e d
a distância entre as discordâncias parciais.
Falhas de empilhamento (stacking faults)
A energia de falha de empilhamento (EFE)
influencia fortemente a subestrutura de
deformação.
Metais com altas EFE tendem a exibir arranjos de
discordâncias em formas de emaranhamentos ou células.
Metais com baixas EFE tendem a exibir
subestruturas de deformação na forma de bandas e arranjos lineares.
Superfícies
Área do material formada
por átomos com
empacotamento inferior ao dos átomos no núcleo do material.
Grande quantidade de
ligações químicas não satisfeitas.
Defeitos Volumétricos
Conceito
Defeitos tridimensionais
Ocupam determinado volume no interior do cristal Defeitos volumétricos mais comuns
Vazios
Bolhas de gás Inclusões
Vazios
Podem ser formados pelo coalescimento de
vacâncias.
Em metais temperados (as-quenched),
observa-se que os vazios não possuem
formas esféricas, mas são contornados pelas
faces cristalográficas.
Os vazios apresentam tipicamente “raio” de
cerca de 50 nm.
A formação dos vazios é favorecida por taxas
de têmpera lentas e temperaturas de
envelhecimento altas.
Vazios
A formação de vazios é favorecida pela
presença de gás em solução sólida. Por
exemplo, hidrogênio em Cu e hidrogênio e
oxigênio em Ag. No Al e Mg a formação de
vazios é favorecida pela têmpera em
atmosfera úmida, provavelmente devido a
produção de hidrogênio proveniente de
reações de oxidação.
Os vazios não são bolhas de gás.
A presença de vazios pode ser favorecida pelos
gases dissolvidos mas o crescimento do vazio se dá pela incorporação de vacâncias.
Vazios
A formação de vacâncias em supersaturação
pode ocorrer como resultado da irradiação do
metal. Estas vacâncias em supersaturação
podem então coalescer para formar vazios,
em temperaturas intermediárias (~ 0,3 – 0,6
T
f).
A presença de vazios facilita a nucleação de
trincas e, conseqüentemente, fratura dos
materiais metálicos.
Bolhas de gás (ou porosidade por
aprisionamento de gás)
São defeitos volumétricos decorrentes do
acúmulo de gases em regiões confinadas no
interior do metal.
Estes defeitos são formados pela mudança de
solubilidade do gás no estado líquido e no estado
sólido durante a solidificação do metal.
A solubilidade do gás no metal decresce com a
temperatura e, na transição líquido – sólido, há um abaixamento abrupto de solubilidade.
Bolhas de gás (ou porosidade por
aprisionamento de gás)
O gás é segregado pelo metal
solidificado ao líquido remanescente.
As bolhas se formam pela
passagem do gás da forma monoatômica em diatômica.
Nas bolhas, o gás é aprisionado
em relativa alta pressão.
Esse defeito representa um sério
problema durante eventuais etapas posteriores de
Porosidade por contração da
solidificação
Formados devido a
variação de
densidade, e
consequentemente
contração, durante a
solidificação.
Defeito típico em
processos como
fundição e soldagem.
Porosidade por contração da
solidificação
Características da liga e do processo influenciam
Porosidade por contração da
solidificação
Macroporosidade: contrações concentradas
Porosidade por contração da
solidificação
Microporosidade- contrações em diversos pontos da
Inclusões
São partículas indesejáveis constituídas de fases
estranhas ao metal ou liga.
As inclusões podem ser oriundas da
incorporação de partículas da escória ou do
refratário ao interior do metal líquido.
As inclusões podem também ser provenientes de
compostos formados por reações físico-químicas
com impurezas do metal.
Exemplos típicos são os compostos formados
Referencias Bibliográficas
R.E. Reed-Hill. Physical metallurgy principles. 2nd
Ed., Litton Education Publishing, 1973.
R.E. Smallman, R.J. Bishop. Modern Physical
Metallurgy and Engineering Materials: Science,
Processing and Applications. 6th Edition, Butterworth
Heinemann, 1999.
W.D. Callister. Materials Science and Engineering:
na Introduction. 7th Edition, John Wiley & Sons,
2007.
M.A. Meyer, K.K. Chawla. Mechanical behavior of
