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Imperfeições em Sólidos Sólidos não são perfeitos em sua microestrutura: muitas propriedades estão relacionadas com estes defeitos; freqüentemente defeitos.

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Apresentação em tema: "Imperfeições em Sólidos Sólidos não são perfeitos em sua microestrutura: muitas propriedades estão relacionadas com estes defeitos; freqüentemente defeitos."— 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 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. Átomo/íon em uma posição intersticial Vacância O número de equilíbrio de vazios no sistema é função da temperatura: N v = Número de vazios N = Número de posições atômicas Q v = Energia de ativação T = Temperatura absoluta em kelvins k = Constante de Boltzman 1,38x J/átomo.K 8,62x10 -5 ev/átomo.K

4 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 2 a 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. Defeitos Pontuais : Impurezas em Sólidos

5 Defeitos Pontuais : Solução Sólida Dois ou mais elementos dispersos em uma única fase. 2 tipos: substitucional ouintersticial 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: vacânciaCristal iônico: par de vacâncias N s = Número de vazios N = Número de posições atômicas Q s = Energia de ativação T = Temperatura absoluta em kelvins k = Constante de Boltzman 1,38x 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 % Peso: útil quando se trabalha com soluções % Atômica: útil quando se estuda o material no nível atômico m 1 : massa do elemento 1 A 1 : massa atômica do elemento 1 n 1 : número de moles do elemento 1 Concentrações - Composição 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 (a)(b) a)Um cristal perfeito; b)Um plano extra é inserido no cristal (a); c)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. (c) Discordância de aresta

12 Discordâncias: O Vetor de Burgers 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 (a)(b)(c) Linha de discordância Vetor de Burgers b a)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 Tensão de cisalhamento Plano extra de átomos Linha de discordânciaPlano de deslizamento 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 Regiões de tração e compressão ao redor da discordância Interação entre discordâncias Repulsão Atração e aniquilamento

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. Átomos insaturados Superfície com energia livre Material cristalino

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

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. Microscopia de maclas em grão de bronze (a) (b)

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

24 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 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 S v = 2 P L, P L = número de pontos de intersecção

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

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


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