Aula 06 – Ciências dos Materiais Estrutura Cristalinas dos Metais e Defeitos – Parte I* Figuras e estruturas dos defeitos baseadas na aula Profa Eleani Maria da Costa- DEM/PUCRS disponibilizada em rede virtual pública.

Fator de Empacotamento para um metal de raio r No de átomos por célula Cúbico simples: FEA = 4/3πr3 como a=2r FEA=0,52 1 a3 Cúbico de Corpo Centrado: FEA = 4/3πr3 como a=4r/√3 FEA=0,68 2 Cúbico de Face Centrada: FEA = 4/3πr3 como a=2r/√2 FEA=0,74 4 a3 a3

Cálculo da densidade teórica de um sólido metálico ρ = nPA VCNA Onde: n= número de átomos por célula unitária PA= peso atômico VC= volume da célula unitária NA = número de Avogrado (6,02x1023)

Exercícios Calcule o raio de um átomo de tântalo sabendo que o Ta possui uma estrutura cristalina CCC, uma massa específica (densidade) de 16,6g/cm3 e um peso atômico de 180,9 g/mol.

Exercícios O Nióbio possui um raio atômico de 0,143 nm e uma massa específica de 8,57g/cm3. Determine se ele possui uma estrutura cristalina CFC ou CCC. Peso atômico =92,9g/mol. ρ = nPA VCNA

Exercícios O raio atômico do Pb vale 0,175nm, calcule o volume de sua célula unitária em m3 sabendo que o Pb apresenta estrutura cristalina CFC.

Defeitos Cristalinos – o que é um defeito? Devem ser evitados? - Defeitos pontuais - Defeitos de linha (discordâncias) - Defeitos de interface (grão e maclas) - Defeitos volumétricos (inclusões, precipitados)

É uma imperfeição no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos e no tipo de átomos O tipo e o número de defeitos dependem: - da constituição química do material - das circunstâncias sob as quais o material é processado.

Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas Tipos de Defeitos: classificados de acordo com sua geometria ou dimensões Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas Defeitos lineares uma dimensão Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimensões Defeitos volumétricos três dimensões

Nem sempre é Maléfico Permite desenhar e criar novos materiais DEFEITOS INTRODUÇÃO SELETIVA CONTROLE DO NÚMERO ARRANJO Permite desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades

Casos Positivos O processo de dopagem em semicondutores: mudança no tipo de condutividade A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições: geram um aumento na resistência mecânica (processo encruamento): Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias): resistência maior que 70GPa ferro comum r 270MPa.

Defeitos Pontuais Vacâncias ou vazios Átomos Intersticiais Schottky Frenkel Ocorrem em sólidos iônicos

Defeitos Pontuais: visão geral

Defeitos Pontuais: vacâncias ou lacunas Envolve a falta de um átomo. São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais).

Defeito Pontual: vacâncias ou vazios O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura Nv= N exp (-Qv/KT) lacunas/m3 Nv= número de vacâncias N= número total de sítios por unidade de volume Qv= energia requerida para formação de vacâncias K= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou 8,62x10-5 eV/ at.K N= NAρ PA Onde: NA=no avogrado; ρ = densidade e PA= peso atômico

Cálculo de lacunas a uma dada T Calcule o no de lacunas em equilíbrio por m3 de Cu, a 1000oC. A energia para formação de uma lacuna é de 0,9 eV/atomo. PA: 63,5 g/mol ρ= 8,4 g/cm3 (T=1000oC) NAVOG= 6,02x1023 atomos/mol

Defeito Intersticial Átomo intersticial grande Gera maior distorção na rede Átomo intersticial pequeno

Defeito Intersticial Envolve um átomo extra no interstício (do próprio cristal) Produz uma distorção no reticulado, já que o átomo geralmente é maior que o espaço do interstício A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância

Defeitos Pontuais

Defeitos Pontuais

FRENKEL Ocorre em sólidos iônicos Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício

SCHOTTKY Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion

Superfície (111) do ouro (estrutura CFC) Superfície metálica: microscópia eletrônica de tunelamento ou microscopia de força atômica Em níveis de monocamadas nem sempre o elemento de liga provoca Aparecimento de de defeitos. Superfície (111) do ouro (estrutura CFC) adição uma monocamada de cobre

A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR Soluções sólidas [átomos] < limite de solubilidade Segunda fase [átomos] > limite de solubilidade A solubilidade depende : Temperatura Tipo de impureza Concentração da impureza

IMPUREZAS NOS SÓLIDOS As impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade: aumentar a resistência mecânica aumentar a resistência à corrosão aumentar a condutividade elétrica etc.

IMPUREZAS NOS SÓLIDOS Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes 99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3 A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais

Terminologia Elemento de liga soluto (< quantidade) (ou impureza) Matriz solvente(>quantidade) (ou hospedeiro)

Especificação da Composição Composição de uma liga em termos de seus elementos constituintes: porcentagem em peso (ou massa)(%p) porcentagem atômica (no átomos) (%a)

Exercícios Uma liga contém 80% em peso de Al e 20% em peso de Mg. Qual a porcentagem atômica de cada um na liga? Suponha que 20% dos átomos de Cu são substituídos por Al em um bronze de alumínio. Quais porcentagens de peso que estão presentes? PA: Mg- 24,3 g/mol; Al- 26,98 g/mol; Cu- 63,54g/mol Nv= 6,02x1023 atomos/mol