Defeitos sem Equilíbrio na Rede Cristalina dos Materiais

Defeito sem equilíbrio na rede Apresentação Os arranjos de átomos ou íons em materiais contêm defeitos ou imperfeições como também são conhecidos Em geral esses defeitos têm forte influência sobre as propriedades dos materiais Mas atenção os materiais não são considerados defeituosos do ponto de vista tecnológico Nesta Unidade de Aprendizagem você conhecerá alguns dos principais tipos de imperfeições como defeitos pontuais defeitos lineares ou discordância e defeitos superficiais Além disso conhecerá de que modo esses defeitos ocorrem e quais são os recursos que podem ser utilizados para evitálos Bons estudos Ao final desta Unidade de Aprendizagem você deve apresentar os seguintes aprendizados Identificar os principais tipos de defeitos sem equilíbrio na rede cristalina dos materiais Analisar os defeitos na rede cristalina dos materiais Reconhecer os recursos possíveis para evitar os defeitos sem equilíbrio na rede cristalina dos materiais Desafio Os defeitos cristalinos são imperfeições que ocorrem no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal Podem envolver irregularidades na posição dos átomos e no tipo de átomos Todo cristal exibe defeitos A quantidade e o tipo de imperfeições dependem do modo como o cristal foi formado O que se sabe é que defeitos modificam os comportamentos mecânico elétrico químico e óptico do material Além disso existem diversos defeitos que podem ser introduzidos em um material durante o seu processamento ou fabricação como as impurezas por exemplo Controlando o número e o arranjo dos materiais é possível desenvolver novos materiais com as características desejadas Veja a seguinte situação Seu desafio é responder às seguintes perguntas 1 Devem ser compradas chapas de aço puro ou com impurezas Justifique sua resposta 2 O que são exatamente as impurezas presentes nas chapas de aço 3 Quais são as principais alterações de característicaspropriedades causadas pela presença de impurezas nas chapas de aço Infográfico Um defeito na estrutura cristalina pode ser compreendido como a ruptura de sua regularidade Cristais reais sempre possuem defeitos sendo que a natureza favorece a presença espontânea deles pois isso pode reduzir a energia livre da estrutura Os defeitos podem ainda ser introduzidos por fatores externos tais como tensões bombardeamento iônico e contaminação entre outros Veja no Infográfico a seguir um exemplo da importância dos defeitos em metais e alguns dos principais tipos de defeitos Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Conteúdo do livro Quando se fala nos sólidos cristalinos considerase que as estruturas formadas são perfeitas Entretanto sabese que nenhum material natural ou não é perfeito No caso específico dos cristais todos apresentam alguma irregularidade em menor ou maior grau Essas irregularidades são conhecidas como imperfeições ou defeitos e têm origens diversas não se limitando à presença de átomos diferentes no cristal Na obra Materiais de construção mecânica base teórica para esta Unidade de Aprendizagem leia o capítulo Defeitos em equilíbrio na rede cristalina dos materiais e saiba mais sobre os defeitos Boa leitura MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA Ronei Stein Defeito sem equilíbrio na rede cristalina dos materiais Objetivos de aprendizado Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Identificar os principais tipos de defeitos sem equilíbrio na rede cristalina dos materiais Analisar os defeitos na rede cristalina dos materiais Reconhecer os recursos possíveis para evitar os defeitos sem equilíbrio na rede cristalina dos materiais Introdução Quando abordamos os sólidos cristalinos consideramos que as estruturas formadas são perfeitas Entretanto sabemos que nenhum material natural ou não é perfeito No caso específico dos cristais todos apresentam alguma irregularidade em maior ou menor grau A essas irregularidades chamaremos de imperfeições também conhecidas como defeitos Sua origem é diversa não se limitando à presença de átomos diferentes no cristal Neste capítulo serão apresentados alguns dos principais tipos básicos de imperfeições tais como defeitos pontuais defeitos lineares ou discordância e defeitos superficiais Além disso será explicado como esses defeitos ocorrem e quais os recursos que podem ser utilizados para evitálos Além das impurezas existem alterações na estrutura do cristal que também alteram suas propriedades Muitas propriedades físicas químicas e mecânicas são afetadas pelas imperfeições cristalianas e impactam diretamente nas suas aplicações de engenharia De acordo com Callister Junior e Rethwisch 2014 as propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições Consequentemente é importante saber sobre os tipos de imperfeições e os papéis que elas desempenham ao afetar o comportamento dos materiais A seguir serão apresentados os principais tipos de defeitos na rede cristalina dos materiais Os defeitos cristalinos podem ser punitiformes associados a uma ou duas posições atômicas por exemplo lacunas e átomos intersticiais de linha defeitos unidimensionais tais como discordâncias bidimensionais fronteiras entre duas regiões com diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações cristalográficas como contornos de grao interfaces superfícies livres contornos de macla e defeitos de empilhamento volumétricos defeitos tridimensionais como poros trincas e inclusões Em relação aos defeitos pontuais Van Vlack 1970 mencionam que ocorrem deslocamentos de átomos individuais átomos extras ou falta de átomos O defeito pontual mais comum é a lacuna posição que deveria ser ocupada por um átomos mas que se encontra vazia Todos os sólidos cristalinos apresentam esse tipo de defeito em virtude de perturbações localizadas durante o crescimento do cristal ou do rearranjo dos átomos Ela também pode ser induzida nos metais por deformação plástica resfriamento rápido a partir de temperaturas elevadas dentre outras técnicas Os defeitos lineares também conhecidos como discordâncias estão associados a deformações mecânicas do retículo cristalino e ocorrem ao longo de uma linha do cristal SMITH HASHEMI 2012 As discordâncias podem ser de dois tipos principais cunha ou aresta hélice ou espiral Figura 2 Defeitos lineares Fonte Adaptada de Smith e Hashemi 2012 p 111 Linha de discordância em hélice Linha de discordância Compressão Tensão Torção b Praticamente todo material cristalino apresenta alguma discordância que pode ter sido introduzida durante o processo de solidificação seja por deformação plástica ou por rápido resfriamento Defeitos planares ou interfaciais são interfaces bidimensionais e separam normalmente regiões de materiais que possuem estruturas cristalinas eou orientação cristalina diferentes Esse tipo de defeito é encontrado na superfície externa dos sólidos cristalinos e no contorno de grãos por exemplo 5 Defeito sem equilíbrio na rede cristalina dos materiais A superfície externa de um sólido é onde a estrutura cristalina termina Átomos superficiais não estão ligados de forma ótima aos átomos vizinhos uma vez que parte externa se encontra sem vizinhança o que os leva a apresentar uma energia de superfície maior do que a dos átomos nas posições interiores Além das classificações já apresentadas os defeitos podem ser divididos nas seguintes categorias intrínsecos decorrentes das leis físicas extrínsecos corresponde à maioria dos defeitos em materiais e são decorrentes do meio ambiente eou das condições de processamento A presença de defeitos nos materiais é essencial pois caso contrário os dispositivos eletrônicos do estado sólido não existiriam os metais seriam muito mais resistentes os cerâmicos seriam muito mais tenazes os cristais não teriam nenhuma cor As imperfeições nas redes cristalinas são classificadas de acordo com sua geometria e forma e podem envolver uma irregularidade na posição ou no tipo dos átomos O tipo e o número de defeitos dependem do tipo de material do meio ambiente e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado De acordo com Smith e Hashemi 2012 as imperfeições cristalinas estão presentes em todos os materiais cristalinos reais mesmo que em nível atômico ou em nível de tamanho iônico As lacunas ou sítios atômicos vazios em metais podem ser explicados em termos de agitação térmica dos átomos e são considerados defeitos da estrutura em equilíbrio Discordâncias defeitos de linha ocorrem em metais cristalinos e são criadas em grande número pelo processo de solidificação Elas não são consideradas defeitos de equilíbrio e por exemplo aumentam a energia interna do metal A adição de átomos de impurezas a um metal irá resultar na formação de uma solução sólida eou de uma segunda fase dependendo do tipo de impureza da concentração e da temperatura da liga Callister Junior e Rethwisch 2014 classificam alguns termos relacionados às impurezas e soluções sólidas da seguinte forma soluto é a substância que se encontra dispersa no solvente Corresponde à substância que será dissolvida e geralmente apresentase em menor quantidade na solução solvente é a substância na qual o soluto será dissolvido para formação de um novo produto Apresentase em maior quantidade na solução Recursos disponíveis para evitar os defeitos sem equilíbrio nos materiais Em se tratando de metais o efeito das discordâncias é a característica mais importante Logo é fundamental entender o efeito do escorregamento nas propriedades mecânicas o endurecimento por deformação por solução sólida e pelo refino de grão pois são essas as maneiras de controlar ou até mesmo evitar a presença de defeitos indesejáveis em materiais Askeland e Wright 2015 mencionam que no que se refere ao efeito do escorregamento nas propriedades mecânicas qualquer imperfeição em um cristal aumenta a energia interna no local dessa imperfeição Esse aumento de energia ocorre porque nas vizinhanças da imperfeição se os átomos es tiverem mais próximos uns dos outros existe compressão se estiverem mais afastados existe tração Os mesmos autores ressaltam que uma discordância em um cristal metálico perfeito poderá moverse facilmente caso a tensão de cisalhamento efetiva seja no mínimo equivalente à tensão de cisalhamento efetiva crítica Porém caso a discordância encontre uma região maior para forçar a passagem da discordância pela região com elevada energia local esse material será por tanto mais resistente Os defeitos dos materiais como discordâncias defeitos pontuais e contornos de grão atuam como barreiras para as discordâncias Estas oferecem resistência ao movimento de discordância e qualquer mecanismo que impeça esse movimento torna o metal mais resistente Logo é possível controlar a resistência mecânica de um material metálico mediante o controle do número e do tipo de imperfeições Muito frequentemente a resistência das cerâmicas à tensão e às baixas temperaturas é ditada pelo nível de porosidade presença de pequenos va zios conforme indicado na Figura 4 Polímeros normalmente são amorfos e desse modo as discordâncias representam um papel muito pequeno em seu comportamento mecânico Já em vidros inorgânicos a resistência depende da distribuição de falhas na superfície 11 Defeito sem equilíbrio na rede cristalina dos materiais Figura 4 Quanto maior a porosidade mais frágil o material será Fonte CrevisShutterstockcom A aplicação de tensão mecânica a um material cria novas discordâncias sendo que o mecanismo pelo qual se eleva a resistência de um material atra vés da deformação é conhecido como endurecimento por deformação ou encruamento Além disso as densidades de discordância podem ser reduzidas substancialmente por meio do aquecimento de um material metálico a uma temperatura relativamente alta abaixo da temperatura de fusão sendo man tido assim por um longo período Esse tratamento térmico recebe o nome de recozimento e é usado para aumentar a ductilidade dos materiais metálicos ASKELAND WRIGHT 2015 O recozimento referese a um tratamento térmico no qual um material é exposto a uma temperatura elevada por um período de tempo longo sendo resfriado lentamente em seguida Ordinariamente o recozimento é realizado para aliviar tensões aumentar a maciez ductilidade e tenacidade e produzir uma microestrutura específica O recozimento permite realizar uma série de tratamentos térmicos sendo que estes são caracterizados pelas mudanças às quais são induzidas Essas mudanças são muitas vezes microestruturas responsáveis pela alteração das propriedades mecânicas O processo de recozi mento consiste em três estágios aquecimento até que se alcance a temperatura desejada manutenção ou encharcamento até atingir a temperatura ideal e resfriamento até que se atinja a temperatura ambiente CALLISTER JUNIOR RETHWISCH 2014 Defeito sem equilíbrio na rede cristalina dos materiais 12 Quanto ao endurecimento por solução sólida qualquer um dos defeitos do tipo pontuais afeta a perfeição da estrutura cristalina Uma solução sólida é formada quando átomos ou íons de um elemento químico ou composto são completamente solubilizados pela estrutura cristalina da matriz Esse processo é muito semelhante ao modo como o sal e o açúcar em pequenas concentrações se dissolvem totalmente na água ASKELAND WRIGHT 2015 Quando átomos substitucionais ou intersticiais são inseridos de forma intencional ocorre o endurecimento por solução sólida Esse mecanismo explica o porquê de o açocarbono comum ser mais resistente que o puro Fe e porque ligas de cobre contendo pequenas concentrações de berílio Be são mais resistentes que o cobre puro Outra forma de evitar os defeitos nos materiais é o endurecimento pelo refino do grão processo no qual as imperfeições superficiais como os con tornos de grão perturbam o arranjo dos átomos cristalinos Como aumentar o número de grãos equivale a reduzir o tamanho deles dessa forma obtémse o endurecimento por refino do grão nos materiais metálicos Instrumentos disponíveis para análise dos defeitos Conforme mencionam Smith e Hashemi 2012 cientistas e engenheiros de materiais fazem uso de instrumentos de alta tecnologia para aprofundar os conhecimentos sobre a estrutura interna incluindo a estrutura dos defeitos o comportamento e as falhas de materiais A utilização desses instrumentos permite estudar desde a estrutura dos grãos até seus contornos grãos fases defeitos de linha defeitos na superfície e efeitos sobre o comportamento do material A seguir serão apresentadas as técnicas de metalografia optica MO microscopia eletrônica de varredura MEV microscopia eletrônica de transmissão MET e microscopia eletrônica de transmissão de alta reso lução METAR que permitem aprofundar sobre as características internas e superficiais dos materiais Técnicas de MO são usadas para estudar as características e a composição interna dos materiais até o nível micrométrico nível de aumento em torno de 2000x Informações qualitativas e quantitativas estão relacionadas ao tamanho e contorno de grãos à existência de várias fases danos internos e alguns defeitos que podem ser obtidos com a utilização de técnicas de metalografia óptica Já o MEV é uma importante ferramenta de engenharia e ciência dos materiais usada para tirar medidas eou fazer observações microscópicas 13 Defeito sem equilíbrio na rede cristalina dos materiais caracterizar a fratura realizar estudos da microestrutura avaliar as camadas de recobrimento mensurar a contaminação de superfícies e analisar falhas de materiais Ao contrário da MO na qual a superfície da amostra é exposta a uma luz visível incidente no MEV ocorre a incidência de um feixe de elé trons em um ponto da superfície da amostraalvo depois sinais eletrônicos emitidos pelo material amostraalvo são coletados e apresentados SMITH HASHEMI 2012 Quanto à MET os mesmos autores mencionam que essa é uma importante técnica para estudar defeitos como discordâncias e precipitados segundas fases em materiais Ao contrário da MO e da MEV nas quais a preparação da amostra é bastante básica e de fácil obtenção a preparação de amostras para análise em MET é complexa e requer instrumentos altamente especializados Outra ferramenta importante na análise de defeitos da estrutura cristalina é a METAR Essa técnica possui resolução de aproximadamente 01 nm e permite a visualização da estrutura cristalina e seus defeitos no nível atômico Os conceitos básicos por trás dessa técnica são semelhantes aos do MET No entanto a amostra deve ser significativamente mais fina na ordem de 10 a 15 nm Defeito sem equilíbrio na rede cristalina dos materiais 14 ASKELAND D R WRIGHT W J Ciência e engenharia dos materiais 2 ed São Paulo Cengage Learning 2015 648 p CALLISTER JUNIOR W D RETHWISCH D G Fundamentos da ciência e engenharia de materiais uma abordagem integrada 4 ed Rio de Janeiro LTC 2014 832 p SHACKELFORD J F Ciência dos materiais São Paulo Pearson Prentice Hall 2008 556 p SMITH W F HASHEMI J Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais 5 ed Porto Alegre AMGH 2012 734 p VAN VLACK L H Princípios de ciências dos materiais São Paulo Blucher 1970 448 p Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem Na Biblioteca Virtual da Instituição você encontra a obra na íntegra Conteúdo saGAH Soluções Educacionais Integradas Dica do professor Os defeitos ou imperfeições nas redes cristalinas são classificados de acordo com a sua geometria e com a sua forma Os três principais tipos são defeitos adimensionais ou pontuais de dimensão zero defeitos unidimensionais ou lineares discordâncias e defeitos bidimensionais que incluem as superfícies exteriores e os contornos de grão interiores Podem ser incluídos também os defeitos macroscópicos tridimensionais ou em volume Como exemplo desses defeitos é possível citar os poros as fendas e as inclusões Na Dica do Professor de hoje conheça um pouco mais sobre os tipos de defeitos Confira Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Exercícios 1 Os defeitos em sólidos também conhecidos como imperfeições são classificados em diferentes tipos Assinale a alternativa correta em relação aos defeitos pontuais A O defeito pontual mais simples é a lacuna que corresponde a uma posição atômica na qual falta um átomo B Defeitos pontuais são irregularidades que se estendem através de uma única fileira de átomos C Defeitos pontuais são irregularidades que se estendem através de um plano de átomos D Defeitos pontuais são defeitos macroscópicos tridimensionais que se estendem sobre o conjunto dos átomos na estrutura ou no volume E Defeitos pontuais são irregularidades que se estendem sobre todos os átomos de um sólido 2 Entre as alternativas a seguir qual está correta em relação às imperfeições A O defeito pode ser definido como sendo uma imperfeição ou um erro no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal B Um material monocristalino é isento de imperfeições planares porém isso só poderá ser percebido via MET C Uma grande fração dos sítios atômicos apresenta imperfeições D Na metalografia o contorno de grão pode ser estabelecido pelo polimento da amostra somente E As imperfeições não influenciam nas propriedades dos materiais 3 Existem diferentes tipos de tratamento térmico O método que se refere a um tratamento térmico no qual um material é exposto a uma temperatura elevada por um período longo de tempo e em seguida é lentamente resfriado é denominado de A austêmpera B martêmpera C revenimento D normalização E recozimento 4 Quando o defeito está associado a deformações mecânicas do retículo cristalino as quais ocorrem ao longo de uma linha do cristal dizse que o defeito é do tipo A discordância B planar C pontual D volumétrico E defeito de Frenkel 5 Muito do que se sabe sobre os defeitos seria meramente teoria especulativa e eles nunca teriam sido verificados comprovados sem a utilização desta técnica para análise dos defeitos a qual trabalha em escala nanométrica Defeitos tais como discordâncias podem ser observados com o auxílio desta técnica Ao contrário de outras técnicas onde a preparação da amostra é muito básica e de fácil obtenção a preparação de amostras para este tipo de análise é complexa e requer instrumentos altamente especializados Esta descrição referese a qual técnica para análise e investigação de defeitos A Metalografia Óptica MO B Microscopia Eletrônica de Varredura MEV C Microscopia Eletrônica de Transmissão MET D Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução METAR E Microscópio de Força Atômica Na prática Sabese que não existem cristais perfeitos e que eles contêm vários tipos de imperfeições e defeitos Tais defeitos alteram as propriedades físicas químicas e mecânicas dos materiais que por sua vez respondem de diferentes formas tanto na sua utilização prática como nos produtos acabados Acompanhe a situação a seguir e veja de que forma as imperfeições podem conferir características positivas ao material Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino Saiba Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto veja abaixo as sugestões do professor MEV Conceitos básicos e aplicações O Microscópio Eletrônico de Varredura ou Microscópio Eletrônico de Varrimento MEV é um tipo de microscópio eletrônico capaz de produzir imagens de alta resolução da superfície de uma amostra Neste vídeo você poderá conferir os conceitos básicos e as aplicações do microscópio eletrônico de varredura Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Microscopia Óptica determinação de tamanho de grãos A técnica de microscopia óptica possibilita inspeções comuns e importantes de materiais de engenharia permitindo a observação de sua estrutura Para saber mais a respeito leia este artigo Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Imperfeições nos cristais A rede tridimensional dos cristais não é perfeita Muitas das propriedades importantes dos materiais policristalinos são determinadas pelas várias imperfeições neles existentes Para saber mais a respeito de imperfeições confira o artigo a seguir Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar