Imperfeições cristalinas MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS JOINVILLE Imperfeições cristalinas No material cristalino não existe uma ordem atômica perfeita As imperfeições existentes no material influenciam suas propriedades

A adição de impurezas em um metal puro pode melhorar suas propriedades Exemplos: A prata pura adquire maior dureza e resistência mecânica se lhe for adicionado cobre (7,5% em peso) Em um semicondutor são adicionadas pequenas concentrações de átomos de “impurezas” para controle de propriedades elétricas.

defeito cristalino : irregularidade na rede cristalina com uma ou mais de suas dimensões na ordem de um diâmetro atômico.

Defeitos pontuais

Metal puro ? Refino de um metal 99,9999 % (possui átomos de impurezas da ordem de 1022 a 1023 átomos/m3 ).

ADIÇÃO DE ÁTOMOS SOLUÇÃO SÓLIDA E/OU COMPOSTO DEPENDENDO DE IMPUREZAS Os metais mais conhecidos são ligas devido ao aumento da resistência mecânica e resistência à corrosão. Ex. prata de lei, aço inoxidável. ADIÇÃO DE ÁTOMOS SOLUÇÃO SÓLIDA E/OU COMPOSTO DEPENDENDO DE IMPUREZAS Tipos de átomos de impurezas Concentrações Temperaturas

Na solução sólida os átomos de soluto são adicionados e a estrutura cristalina do elemento hospedeiro (solvente) é mantida. A composição é homogênea em todo o volume do material, ou seja, os átomos estão distribuídos uniformemente no interior do sólido

Assim ocorre também com uma solução líquida, por exemplo na solução água + álcool, que é formada por uma mistura de moléculas que têm composição homogênea em toda a sua extensão.

Solução sólida substitucional : átomos de solutos substituem os átomos hospedeiros. Ex. Níquel em Cobre

REGRAS DE SOLUBILIDADE SÓLIDA: Será maior o grau de solubilidade (ou o grau de dissolução do soluto no solvente) se: a diferença dos raios atômicos do solvente e do soluto não ultrapassar ~ 15%; 2) a estrutura cristalina for a mesma; 3) a eletronegatividade for próxima; 4) forem iguais os fatores acima, um solvente dissolverá maior quantidade do soluto que tiver maior valência.

Solução sólida intersticial : átomos de impureza nos interstícios que existem entre átomos hospedeiros (concentração < 10 %). O diâmetro atômico do soluto deve ser muito menor do que o do solvente. Ex. Carbono no ferro.

Defeitos lineares – discordâncias A discordância é o defeito gerado pelo deslocamento de uma linha de átomos de suas posições de equilíbrio na rede cristalina, em torno da qual existe uma distorção na rede.

Discordância aresta : quando existe um plano extra de átomos na rede, ficando definida um linha de átomos na extremidade deste plano.

Discordânica espiral: cisalhamento de planos cristalográficos que produz o deslocamento de uma distância atômica de plano de átomos superior em relação ao plano de átomos inferior. A distorção ocorre ao longo de uma linha de deslocamento atômico.

Discordância mista : a maioria das discordâncias encontradas em materiais cristalinos não é puramente aresta ou espiral, mas uma combinação de ambas.

Defeitos planares (interfaciais) : superfícies externas, contornos de grãos, contornos de macla, contornos de fase, falha de empilhamento. Estes defeitos são bidimensionais e separam os constituintes dos materiais que têm diferentes orientações cristalográficas e/ou diferentes estruturas cristalinas.

Superfícies externas : são contornos do material onde termina a estrutura do cristal. Os átomos de superfície possuem maior energia em relação aos átomos internos, por não estarem ligados a um máximo de átomos vizinhos.

Contornos de grão : os materiais policristalinos são formados por infinidades de grãos ou cristais com diferentes orientações cristalográficas que são separados pelos contornos bidimensionais. Este contorno possui a dimensão de poucas distâncias interatômicas, possuindo desencontros atômicos na região da rede entre as diferentes orientações cristalográficas de grãos adjacentes.

Os contornos de grão são arranjos de discordâncias e, portanto, é uma região de maior energia em relação ao interior do cristal. Existem contornos de grão de baixo e alto ângulo, dependendo da orientação cristalográfica dos grãos adjacentes.

Formação dos grãos cristalinos

Contornos de macla : tipo especial de contorno de grão por meio do qual existe simetria em espelho da rede cristalina. As maclas podem ser produzidas por deformação (metais CCC e HC) ou por recozimento (metais CFC).

Palhetas de turbinas Material Policristalino Material Policristalino Monocristal Grãos em colunas Fundição convencional Solidificação direcional Solidificação direcional

O processo de solidificação direcional consiste em solidificar uma amostra na forma de uma barra e inicialmente no estado líquido, a partir de uma das extremidades, como mostra a figura. Efetuando esta operação com velocidades extremamente baixas (1cm/h) e assim, tendo controle sobre a direção e taxa de resfriamento do líquido, é possível obter um sólido com alta perfeição cristalina. (Fonte: Formação e Imperfeições da Estrutura cristalina Prof. Dr. Rubens Caram – FEM Unicamp)

Processo Czochralski Processo Bridgman

Processo Zonal Flutuante

. Forno de fusão a arco para solidificação direcional de materiais de alto ponto de fusão Esse equipamento permite fundir e solidificar direcionalmente materiais com temperatura de fusão superiores a 2.500oC. (Fonte: FEM/UNICAMP - SP)

Dispositivo de solidificação unidirecional ascendente: Vista em corte

Representação esquemática do corte longitudinal