Imperfeições Cristalinas em Materiais de Construção Mecânica

Imperfeições cristalinas Marcelo F Moreira ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Introdução NÃO EXISTEM ESTRUTURAS CRISTALINAS PERFEITAS Materiais cristalinos apresentam imperfeições de natureza química e de natureza estrutural Elas afetam as propriedades físicas e mecânicas destes materiais e frequentemente determinadas características são alteradas pela introdução de quantidades controladas de imperfeições São exemplos Mecanismos de deformação plástica e endurecimento de metais e ligas Mecanismos de difusão envolvidos em processos metalúrgicos e Dopagem de semicondutores 2 Imperfeições de natureza química ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Imperfeições de natureza química NÃO EXISTEM METAIS 100 PUROS Átomos estranhos ao metal base classificados como impurezas ou elementos de liga sempre estão presentes na estrutura cristalina Impurezas são elementos químicos que promovem algum efeito deletério no metal Por exemplo a presença de enxofre S e fósforo P em aços Eles elementos reduzem a tenacidade do aço e são mantidos em teores inferiores a 0030 Elementos de liga são adicionados intencionalmente no metal Por exemplo a adição de cromo Cr e níquel Ni em aços inoxidáveis 4 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Normalmente são comuns purezas comerciais de cerca de 999 três noves Mesmo utilizando técnicas complexas de refino é difícil e oneroso refinar metais com níveis de pureza superiores a 999999 seis noves O processo de refino Czochralski é empregado para o refino de silício grau eletrônico e permite obter pureza da ordem de 999999999 5 Imperfeições de natureza química Esquema do processo Czochralski para refino de silício grau eletrônico ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Imperfeições de natureza química A presença de átomos estranhos impurezas ou elementos de liga apresentam dimensões diferentes do soluto e afetam as dimensões da estrutura cristalina promovendo deformações elásticas na rede Estes átomos são classificados como ÁTOMOS SUBSTITUCIONAIS átomos de soluto alocados em posições atômicas originalmente pertencentes ao átomo de solvente ÁTOMOS INTERSTICIAIS átomos de soluto alocados em interstícios das células cristalinas do solvente 6 Impurezas substitucionais e intersticiais Imperfeições de natureza estrutural ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Introdução As imperfeições cristalinas estruturais são classificadas em três classes de acordo com sua dimensão Imperfeições de ponto dimensão zero Imperfeições de linha dimensão linear e Imperfeições de superfície dimensão bidimensional ou de superfície 9 Imperfeições de ponto ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 11 Imperfeições de ponto LACUNAS O defeito pontual mais simples é a lacuna vacancy Uma lacuna é o sítio vazio de um átomo em uma posição atômica originalmente ocupada por um átomo na rede As lacunas constituem no ÚNICO tipo de imperfeição que está em equilíbrio termodinâmico As lacunas reduzem a energia livre do arranjo e a fração de lacunas de equilíbrio Xv e é função da temperatura Lacuna produzida artificialmente na estrutura cristalina do Si no plano 111 MET 20000000x Callister W D Materials Science and Engineering An Introduction John Wiley Sons 5th edition 1999 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Existe uma concentração de equilíbrio de lacunas XV e que diminui a energia livre do sistema e com isso ele fica mais estável menor G Assim sempre existirão lacunas nos materiais cristalinos 12 Imperfeições de ponto ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Imperfeições de ponto QUANTIDADE DE LACUNAS onde Xve é a fração de lacunas T é a temperatura absoluta K k é a constante de Boltzmann 138 1023 Játomo K ou 862105 eVátomo K Qv é a energia de ativação J ou eV 13 O cobre puro na temperatura ambiente 293 K apresenta Xv 33 1016 Na temperatura de 1350 K 6 K abaixo da TM o cobre apresenta Xv 43 104 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Em materiais cristalinos contendo ligações iônicas temos as imperfeições pontuais de Schottky e de Frenkel A imperfeição de Shottly corresponde a um par de lacunas de íons com cargas opostas A imperfeição de Frenkel que é uma combinação de uma lacuna com um intersticial de mesma carga 14 Imperfeições de ponto Imperfeições de linha ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Importância das discordâncias Desde a década de 1910 pesquisadores e cientistas buscavam entender a relação entre a força de ligação química e a resistência mecânica observada em metais Eles já conheciam as estruturas cristalinas e o limite de escoamento que permitiram a dedução da resistência teórica 16 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica A tensão de resistência teórica de um cristal perfeito isento de defeitos cristalinos pode ser calculada pelo deslocamento de planos de átomos em relação aos planos paralelos adjacentes 17 Resistência teórica Movimentação de planos atômicos em um cristal perfeito Ensaio de tração em um cristal perfeito s t ETM 203 Materiais de Construção Mecânica A tensão cisalhante máxima teórica pode ser calculada por 18 Resistência teórica Onde G módulo de cisalhamento shear modulus b distância entre átomos 2R e a espaçamento entre os planos compactos Para o Fe CCC puro G 80 GPa b 0248 nm a 0214 2 147 4 t t a b tmax ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 19 Frenkel calculou a tensão de resistência teórica para um cristal perfeito de Fe escorregamento de planos atômicos e notou que este valor é entre 100 e 1000 vezes maior que a tensão de resistência obtida experimentalmente no ensaio de tração smax calculado teórico 29500 MPa smax obtido em laboratório 260 MPa Resistência teórica F Fc 45 A0 A1 cos 45 τ123 45 cos 45 τ123 s123 2 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Introdução às discordâncias Na década de 1910 já haviam evidências de que a resistência teórica de um cristal era muito inferior à resistência obtida experimentalmente 1921 Griffith postula que a presença de fissuras ou trincas microscópicas seriam as responsáveis pela baixa resistência dos sólidos 1926 Cristais reais começam a deformarse plasticamente em tensões entre 1100 e 11000 da tensão cisalhante teórica calculada por Frenkel 20 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Introdução às discordâncias 1934 E Orowan M Poloanyi e G I Taylor propuseram de modo independente a existência de uma imperfeição cristalina linear denominada como discordância A teoria foi chamada de teoria das discordâncias A presença de discordâncias nos cristais poderia justificar a discrepância entre a resistência teórica calculada e aquela medida em laboratório para metais cristalinos 21 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 22 Movimento de uma lagarta Introdução às discordâncias ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Discordâncias Uma discordância é um defeito cristalino linear no qual diversos átomos estão desalinhados e conseqüentemente provocam uma distorção na estrutura cristalina Toda a teoria de deformação plástica e endurecimento de metais é fundamentada na movimentação de discordâncias 23 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Discordâncias As discordâncias são divididas em três tipos Discordâncias em cunha Discordâncias em hélice e Discordâncias mistas 24 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 25 Discordância em cunha Vetor de Burger Movimento cunha ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 26 Discordância em cunha O movimento das discordâncias promove a deformação plástica com uma tensão cisalhante milhares de vezes menor que a tensão cisalhante que quebra as ligações metálicas ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 27 Discordância em hélice Vetor de Burger Movimento hélice ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 28 Discordância mista ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 29 Observação de discordâncias em MET 08 mm 30 mm 02 mm e Preparação de amostras metálicas para o microscópio eletrônico de transmissão ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Em 1949 Heidenreich observou pela primeira vez discordâncias em um microscópio eletrônico de transmissão MET 30 Observação de discordâncias em MET Discordâncias em liga de titânio MET 52000 x Callister W D MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING An Introduction John Wiley Sons 7th edition 2007 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 31 Observação de discordâncias em MET Movimentação de discordâncias em MET Discordâncias em cunha observadas em ouro HRTEM 16000000 x Discordâncias observadas em Si TEM 20000 x ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 32 MO 200 x grãos ferro a Discordâncias em MET 60000 x Corpo de prova Æ 10 mm Fe puro 10000000 x Átomos e discordâncias Observação de discordâncias em MET ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 33 No inicio da deformação plástica as discordâncias movemse em planos e direções preferenciais no interior dos grãos Estes planos apresentam a maior densidade planar de átomos e as direções a maior densidade linear de átomos Assim os reticulados CFC e CCC um número maior de sistemas de escorregamento Sistemas de escorregamento t ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 34 Sistemas de escorregamento ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Sistemas de escorregamento No reticulado HC as discordâncias movimentamse em um único plano de escorregamento plano basal em três direções As discordâncias possuem pouca mobilidade e conseqüentemente baixa ductilidade 35 Tração em monocristal HC com o plano basal inclinado em relação à tensão de tração Tração em monocristal HC com o plano basal perpendicular à tensão de tração E se as discordâncias não existissem ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 37 Wiskers de Fe consistem em pequenos cristais isentos de discordâncias com valores de resistência muito elevados tensão de resistência smáx smáx Fe policristalino 260 MPa smáx wisker de Fe com 2 µm 19000 MPa smáx Teórico 29500 MPa Wiskers Wisker de Sn MEV 2500 x 2 µm Imperfeições de superfície ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Imperfeições de superfície As imperfeições de superfície são defeitos bidimensionais ou interfaciais que compreendem regiões do material com diferentes estruturas cristalinas eou diferentes orientações cristalográficas Estes defeitos incluem contornos de grão contornos de macla contornos de fase superfícies externas e defeitos de empilhamento 39 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Contornos de grão A maior parte dos materiais são compostos por um conjunto de pequenos cristais ou grãos Como a orientação cristalográfica é aleatória o encontro de dois grãos forma uma superfície na qual existe um desarranjo atômico Esta superfície é conhecida como contorno de grão 40 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 41 líquido Formação de cristais sólidos no líquido grãos Contornos de grão ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 42 Contornos de grão Grãos em lingote de magnésio HC comercialmente puro ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Contornos de grão Os contornos de grão são superfícies que separam dois grãos ou cristais com diferentes orientações Como são possíveis diferentes orientações entre cristais adjacentes existem contornos de grão mais ou menos ajustados quando a desorientação é pequena até 10 o contorno de grão é chamado de contorno de baixo ângulo ou subgrão nos casos onde a desorientação é superior a 10 temos os contornos de grão propriamente ditos 43 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 45 Contornos de grão Microestrutura policristalina formada por cristais CS Cada grão apresenta uma orientação cristalina distinta do grão vizinho ETM 203 Materiais de Construção Mecânica A maioria dos metais e ligas metálicas empregadas em materiais de construção mecânica apresentam tamanhos de grão entre 10 µm e 1000 µm 46 Contornos de grão Exemplo Se considerarmos que um grão de Fe apresente dimensão média de 28 µm teremos cerca de 100000 reticulados CCC neste grão ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Contornos de macla Podemos considerar as maclas como um tipo especial de contorno de grão no qual existe uma simetria especular ou seja os átomos de um lado do contorno estão localizados em uma posição que é a posição refletida do outro lado As maclas são resultantes de deslocamentos atômicos produzidos por tensões de cisalhamento maclas de deformação ou durante tratamento térmico maclas de recozimento 47 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Contornos de macla A maclação ocorre em planos cristalográficos definidos e direções cristalográficas específicas que são dependes da estrutura cristalina Maclas de recozimento ocorrem em metais com estrutura CFC Maclas de deformação ou mecânicas são observáveis em metais CCC e HC 48 ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 49 Contornos de macla maclas Formação de uma macla por deformação em cristal CCC ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Os contornos de fase são as fronteiras que separam fases com estruturas cristalinas eou composições distintas Eles serão observadas em ligas metálicas em que existe solubilidade restrita entre átomos de soluto e o solvente ligas bifásicas 50 Contornos de fase Interface entre as fases ferrita CCC e cementita Fe3C ortorrômbica HRTEM 2100000 x Microestrutura de aço evidenciando as fases ferrita e cementita Fe3C MO 100x Estruturas nãocristalinas Vidros ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Vários materiais de engenharia não apresentam estruturas cristalinas Eles são conhecidos como materiais amorfos Vidros e polímeros são exemplos desta classe de materiais No caso de vidros óxidos a estrutura tetraédrica de SiO4 4 é repetida no espaço tridimensional mas não existe ordem de longa distância cristalinidade 53 Materiais amorfos Tetraedro de SiO44 Sílica cristalina SiO2 quartzo Sílica amorfa SiO2 vidro ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Materiais amorfos não apresentam uma temperatura de fusão TM definida como ocorre nos materiais cristalinos Neles o aumento da temperatura promove o aumento contínuo do volume específico sendo que Tg é a temperatura de transição vítrea Nela existe volume suficiente na estrutura para a deformação plástica 54 Materiais amorfos ETM 203 Materiais de Construção Mecânica O comportamento dos materiais amorfos pode ser medido entendido como uma variação contínua da viscosidade com a temperatura 55 Vidros óxidos Correlação da viscosidade com a temperatura em diversos vidros de engenharia ETM 203 Materiais de Construção Mecânica A formação de estruturas amorfas em vidros óxidos depende da composição e da velocidade de resfriamento Adições de óxidos com elevada energia de ligação resultam em estruturas amorfas Óxidos com baixa energia resultam em estruturas cristalinas 56 Vidros óxidos Óxido Energia de ligação GeO2 108 SiO2 106 V2O5 90 B2O3 89 Ga2O3 45 PbO 36 BaO 33 Na2O 20 K2O 13 Metais amorfos vidros metálicos ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Metais amorfos podem ser produzidos com velocidades de solidificação elevada entre 103 e 107 Ks Tais velocidades são obtidas pelo resfriamento do líquido superaquecido em um cilindro de cobre refrigerado a água melt spinning ou por injeção De fato diversas ligas foram desenvolvidas visandose reduzir a velocidade crítica para a amorfização 58 Metais amorfos Melt spinning Módulo de elasticidade em metais amorfos ETM 203 Materiais de Construção Mecânica Metais amorfos apresentam valores mais elevados de módulo de elasticidade E de resistência mecânica e de resistência à corrosão Eles também apresentam diferenças nas propriedades elétricas a resistividade é maior que nos cristalinos e magnéticas são magneticamente moles 59 Metais amorfos As aplicações incluem Fitas de alto módulo e alta resistência Chapas finas para transformadores elétricos mais eficientes e sem ruídos e Diversos gadgets ETM 203 Materiais de Construção Mecânica 60 Referências 1 Shackelford J F Ciência dos Materiais 6ª edição Pearson Prentice Hall 2008 2 Callister W D MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING An Introduction John Wiley Sons 5th edition 1999 3 Newey C Wever G MATERIALS PRINCIPLES AND PRACTICE Materials in action series The Open University Butherworths 1990 4 Smith W F PRINCÍPIOS DE CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS McGrawHill Terceira edição 1998 5 Campos Filho M P A ESTRUTURA DOS MATERIAIS Editora da Unicamp 1991 6 Hull D Bacon D J INTRODUCTION TO DILOCATIONS ButterworthHeinemann 2001