Imperfeições em Sólidos

Apresentação em tema: "Imperfeições em Sólidos"— Transcrição da apresentação:

1 Imperfeições em Sólidos
Sólidos não são perfeitos em sua microestrutura: muitas propriedades estão relacionadas com estes defeitos; freqüentemente defeitos são induzidos propositalmente nos materiais. Defeito cristalino: Uma irregularidade na rede cristalina da ordem de um diâmetro atômico em uma ou mais de suas dimensões. Classificação dos defeitos cristalinos em função da dimensão em que ocorrem: Defeito pontual ( 0 – D) Discordâncias ( 1 – D) Defeitos interfaciais ou de fronteira (2 – D) Defeitos em volume (3 – D)

2 Vazios e Intersticiais
Defeitos Pontuais Vazios e Intersticiais Vazios Intersticiais Substitucionais Vazios: sítios atômicos vagos na estrutura cristalina Intersticiais: átomos extras ocupando posições entre os sítios atômicos Substitucionais: átomos de elementos “estranhos” inseridos na rede cristalina

3 Defeitos Pontuais Defeito de Frenkel: Auto-intersticial (átomo ou íon) criando uma vacância na rede. O número de equilíbrio de vazios no sistema é função da temperatura: Nv = Número de vazios N = Número de posições atômicas Qv = Energia de ativação T = Temperatura absoluta em kelvins k = Constante de Boltzman 1,38x10-23 J/átomo.K 8,62x10-5 ev/átomo.K Átomo/íon em uma posição intersticial Vacância

4 Defeitos Pontuais : Impurezas em Sólidos
Há sempre impurezas em cristais metálicos e que podem ser vistos como defeitos pontuais. Ligas: Átomos de impurezas são adicionados intencionalmente a uma estrutura cristalina formada por outro átomo para gerara propriedades específicas aos materiais. Adição de impurezas : solução sólida formação de 2a fase Elementos em uma liga: Solvente : elemento ou composto presente em maior quantidade Soluto: elemento ou composto presente em menor quantidade Fase: porção homogênea de um material com características físicas e químicas uniformes.

5 Defeitos Pontuais : Solução Sólida
Dois ou mais elementos dispersos em uma única fase. 2 tipos: substitucional ou intersticial Substitucional: átomos do solvente substituídos por átomos do soluto no reticulado; a estrutura do solvente não muda, mas se deforma; Intersticial: os átomos do soluto “espremem-se” nos vazios (interstícios) da rede cristalina do solvente; ocorre quando a diferença de tamanho entre soluto e solvente é grande; a máxima solubilidade é menor que 10 %

6 Defeitos Pontuais : Defeito de Schottky
Cristal covalente: vacância Cristal iônico: par de vacâncias Ns = Número de vazios N = Número de posições atômicas Qs = Energia de ativação T = Temperatura absoluta em kelvins k = Constante de Boltzman 1,38x10-23 J/átomo.K 8,62x10-5 ev/átomo.K

7 Defeitos Pontuais : Condição de Eletroneutralidade
A compensação de carga leva à formação de vazios.

8 Concentrações - Composição
% Peso: útil quando se trabalha com soluções % Atômica: útil quando se estuda o material no nível atômico m1 : massa do elemento 1 A1 : massa atômica do elemento 1 n1 : número de moles do elemento 1 Conversão: % peso % atômica % atômica % massa

9 Defeitos em Linha : Discordâncias
Definição Defeito em uma dimensão ao redor do qual alguns átomos encontram-se desalinhados; Translação incompleta de uma das partes da rede em relação às outras. Classificação Discordância em aresta Discordância em espiral Discordância combinada

10 Defeitos em Linha : Discordâncias
Discordância de aresta: o movimento da linha de discordância é paralelo ao da força de cisalhamento Discordância em espiral: o movimento da linha de discordância é perpendicular ao da força de cisalhamento

11 Discordância de Aresta
(b) (c) Discordância de aresta Um cristal perfeito; Um plano extra é inserido no cristal (a); O vetor de burgers b equivale à distância necessária para fechar o contorno formado pelo mesmo número de átomos ao redor da discordância de aresta.

12 Discordâncias: O Vetor de Burgers
Linha da discordância de aresta O vetor de Burgers b é perpendicular à linha de discordância em uma discordância de aresta.

13 Discordância em Espiral
Linha de discordância (a) (b) (c) Vetor de Burgers b Um cristal perfeito; b) e c) Deslocamento de uma secção transversal da ordem de um espaçamento atômico. O vetor de Burgers b é paralelo à linha de discordância em uma discordância em espiral.

14 Discordância em Espiral
Discordância em espiral como resultado de um cisalhamento parcial

15 Discordância Combinada
Discordâncias de aresta ou em espiral raramente ocorrem separadamente.

16 Movimento de Discordâncias
Plano extra de átomos Tensão de cisalhamento Plano de deslizamento Linha de discordância Vetor de Burgers O movimento de discordâncias provocam deslizamentos, que resultam em deformações permanentes (plásticas) no material. Monocristal de Zn sob tração

17 Discordâncias : Esforços Envolvidos
Repulsão Atração e aniquilamento Regiões de tração e compressão ao redor da discordância Interação entre discordâncias

18 Defeitos Interfaciais
Superfícies Externas: Átomos na superfície não têm todas suas ligações satisfeitas e possuem maior energia livre que os átomos sob a superfícies; Área da superfície tende a minimizar; A superfície dos sólidos podem se “reconstruir” para satisfazer as ligações atômicas dos seus átomos. Superfície com energia livre Átomos insaturados Material cristalino

19 Defeitos Interfaciais: Contornos de Grão
Materiais policristalinos são formados por muitos cristais ou grãos, que têm diferentes direções cristalográficas; Nas regiões onde estes grãos se encontram ocorre um desordenamento atômico. Elas são chamadas de contorno de grão; Os átomos próximos à fronteira dos 3 grãos não têm um espaçamento uniforme ou ordenamento. Microestrutura do Pd (100x)

20 Contornos de Grão Ângulos de desalinhamento: Ângulo de desalinhamento
Em função do desalinhamento dos planos atômicos entre os grãos adjacentes, pode-se distinguir os contornos de grão de baixo e alto ângulo. Alto ângulo Baixo ângulo Ângulo de desalinhamento

21 Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)
Uma macla separa duas regiões cristalinas que são, estruturalmente, imagens espelhadas uma da outra.

22 Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)
Maclas podem ser causadas por deformações do material, causadas por tensões térmicas ou mecânicas; Ligas com memória de forma: Esse defeito é observado em materiais com memória de forma, que podem recuperar sua forma original quando expostos a uma fonte de calor; As maclas desaparecem quando estes materiais são deformados e ressurgem quando são aquecidos a altas temperaturas, recuperando sua forma original. (a) (b) Microscopia de maclas em grão de bronze

23 Defeitos Interfaciais: Falha de Empacotamento
Corresponde a interrupção de uma seqüência regular de empacotamento de planos em uma rede cristalina

24 (materiais multifásicos)
Defeitos em Volume Podem ser classificados como poros, fraturas ou inclusões: Poros: podem modificar substancialmente as propriedades ópticas, mecânicas e térmicas de um material; Fraturas: podem afetar as propriedades mecânicas do material; Inclusões: podem modificar substancialmente as propriedades elétricas, mecânicas e ópticas de um material; poros Fases secundárias Inclusões Heterogeneidade (materiais multifásicos)

25 Exames Microscópicos Microestrutura Tamanho de grão Forma
Microscopia Microscopia óptica Microscopia eletrônica de varredura Microscopia eletrônica de transmissão Microestrutura Tamanho de grão Forma Microscopia óptica

26 Microscopia Óptica Determinação de tamanho de grão
Tome uma micrografia de uma amostras polida, ampliada 100 X; N = 2 n-1 n = 1 + ln (N)/ln (2) Onde: N = número de grãos por polegada quadrada n = tamanho de grão Determinação superfície de contorno de grão por unidade de volume traça-se um círculo aleatoriamente Contam-se as intersecções Sv = 2 PL, PL = número de pontos de intersecção

27 Microscopia eletrônica de rocha lunar
Exames Microscópicos Microscopia Eletrônica (SEM) Microscopia eletrônica de rocha lunar

28 Exames Microscópicos Microscopia Eletrônica (TEM) Discordâncias
Microscopia eletrônica de transmissão de um cristal de níquel Discordâncias