Estudo de Imperfeições em Sólidos: Defeitos e Propriedades dos Materiais

Tecnologia dos Materiais I 3º P Engenharia Mecânica Imperfeições em Sólidos Difusão em sólidos Professor MSc José Dimas de Arruda Email jdimasarrudagmailcom Por que estudar imperfeições em sólidos As propriedades de alguns materiais são influenciados pela presença de imperfeições Propriedades mecânicas de metais puros experimentam alterações significativas quando átomos de impurezas ou elementos de liga são adicionados Materiais semicondutores funcionam devido a concentrações controladas de impurezas específicas ou elementos de liga que são incorporadas em regiões pequenas e localizadas Tipos de Imperfeições Defeitos pontuais Defeitos de linha discordâncias Defeitos de interface grão e maclas Defeitos volumétricos inclusões precipitados O que é um defeito É uma imperfeição ou um erro no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos no tipo de átomos O tipo e o número de defeitos dependem do material do meio ambiente e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado Defeitos Pontuais LACUNAS E AUTO INTERSTICIAIS Envolve a falta de um átomo São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas os átomos deslocamse de suas posições normais Todos os sólidos cristalinos possuem lacunas Defeitos Pontuais LACUNA Sítio vago da rede cristalina átomo faltando AUTO INTERSTICIAL átomo do cristal que se encontra comprimido no interior de um sítio intersticial Diferenças entre interstícios e lacunas FONTE CALLISTER 2005 Lacunas ou vazios Aumentam exponencialmente com o aumento da temperatura O número de lacunas em equilíbrio Nv é dado por N pode ser calculado por OBS Fração de sítios vagos 𝑵𝒗 𝑵 𝒆 𝑸𝒗 𝒌𝑻 𝑵 𝑵𝑨𝝆 𝑨 𝑵𝒗 𝑵 𝒆 𝑸𝒗 𝒌𝑻 Exemplo Calcule o número de lacunas em equilíbrio por metro cúbico de cobre a uma temperatura de 1000C A energia para formação de uma lacuna é de 09 eVatomo o peso atômico e a densidade para o cobre são 635 gmol e 84gcm³ respectivamente Intersticiais 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 um vazio por isso este defeito é menos provável que um vazio Átomo substitucional pequeno Átomo substitucional grande Gera maior distorção na rede Átomos Substitucionais Lacuna Átomo interticial Átomo substitucional pequeno Átomo substitucional grande Defeito de Frenkel Defeito de Schottky Defeitos de Frenkel e Schottky Existem duas maneiras principais para a criação de defeitos de ponto a dos vazios correlacionados ou defeitos de Schottky utilizado para sólidos iônicos a dos grupos vazios intersticiais ou defeitos de Frenkel cátion fora de sua posição Impurezas em Sólidos Um metal considerado puro sempre tem impurezas átomos estranhos presentes A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais Elementos de Liga em Sólidos LIGAS METÁLICAS Elementos de liga são adicionadas intencionalmente com a finalidade aumentar a resistência mecânica aumentar a resistência à corrosão Aumentar a condutividade elétrica Elementos de liga em Sólidos A adição de átomos de outro material a um metal irá resultar a formação de Soluções sólidas limite de solubilidade Segunda fase limite de solubilidade A solubilidade depende Temperatura Tipo de elemento Concentração do elemento de liga Sistema Açúcar Água FONTE CALLISTER 2005 Soluções Sólidas A estrutura cristalina do material que atua como matriz é mantida e não formamse novas estruturas As soluções sólidas formamse mais facilmente quando o elemento de liga ou impureza e matriz apresentam estrutura cristalina e dimensões eletrônicas semelhantes Nas soluções sólidas os elementos de liga ou as impurezas podem ser Intersticial Substitucional Soluções Sólidas SUBSTITUCIONAIS Os átomos do soluto elementos de liga ou impurezas tomam o lugar dos átomos hospedeiros ou os substituem Substitucional Ordenada Substitucional Desordenada SUBSTITUCIONAIS Fatores que influenciam em sua formação Raio atômico deve ter uma diferença de no máximo 15 caso contrário pode promover distorções na rede e assim a formação de nova fase Estrutura cristalina mesma Eletronegatividade próximas Valência mesma ou maior que a do hospedeiro Soluções Sólidas Exemplo Sistema CuNi formam solução sólida em qualquer proporção em temperatura ambiente Soluções Sólidas INTERSTICIAIS Os átomos de impurezas ou elementos de liga ocupam os espaços dos interstícios Ocorre quando a impureza apresenta raio atômico bem menor que o hospedeiro Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas Geralmente no máximo 10 de impurezas são incorporadas nos interstícios Exemplo Fe C Solubilidade máxima de carbono no ferro é de 21 à 910ºC Fe com estrutura CFC O carbono tem raio atômico bem menor que o ferro o que determina que este elemento se estabeleça nos intertícios da estrutura do ferro rC 0071 nm 071 A rFe 0124 nm 124 A Átomos Interticiais e Substitucionais Cálculo de elementos de liga ou impurezas em Sólidos ESPECIFICAÇÃO DA COMPOSIÇÃO Porcentagem em Peso p Porcentagem Atômica a 𝐶1 𝑚1 𝑚1 𝑚2 100 𝐶1 𝑛𝑚1 𝑛𝑚1 𝑛𝑚2 100 𝑛𝑚1 𝑚1 𝐴1 CONVERSÕES ENTRE COMPOSIÇÕES p em função de a a em função de p 𝐶1 𝐶1 𝐴2 𝐶1 𝐴2 𝐶2 𝐴1 100 𝐶2 𝐶2 𝐴1 𝐶1 𝐴2 𝐶2 𝐴1 100 𝐶1 𝐶1 𝐴1 𝐶1 𝐴1 𝐶2 𝐴2 100 𝐶2 𝐶2 𝐴2 𝐶1 𝐴1 𝐶2 𝐴2 100 Exemplo Qual é a composição em porcentagem atômica de uma liga que consiste em 30p Zn e 70p Cu Azn 6539gmol ACU 6355gmol Defeitos Lineares Discordâncias É um defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns dos átomos estão desalinhados As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação origem térmica mecânica e supersaturação de defeitos pontuais A presença deste defeito é a responsável pela deformação falha e ruptura dos materiais Podem ser Aresta cunha Hélice Mista Discordâncias Definições Discordância Um defeito linear em um material cristalino Discordância em cunhaaresta edge dislocation Uma discordância introduzida no cristal pela adição de um meio plano extra de átomos Discordância em hélice screw dislocation Uma discordância produzida pela distorção torção de um cristal de modo que um plano atômico produza uma rampa ao redor da discordância caminho para a discordância Discordância mista mixed dislocation Discordância que contem componentes de discordâncias em cunha e em hélice Escorregamento slip Deformação de um material metálico pelo movimento de discordâncias através do cristal Discordância em aresta A discordância em linha corresponde à borda edge do plano extra Discordância em aresta Vetor de Burgers Mede a magnitude e a direção de distorção da rede Corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância O vetor de Burgers b é perpendicular à linha de discordância em uma discordância de aresta Linha da discordância de aresta Discordância em Hélice ou Espiral Produz distorção na rede devido a tensão de cisalhamento O vetor de burgers é paralelo à direção da linha de discordância Discordância Mista O vetor de Burgers mantém uma direção fixa no espaço Na extremidade inferior esquerda onde a discordância é pura hélice o vetor é paralelo à discordância Na extremidade superior direita onde a discordância é pura aresta o vetor é perpendicular à discordância Discordância Mista OBS O vetor de Burgers mantém sua direção em todo o curso da discordância mista Observação de discordâncias Microscópio Eletrônico de Transmissão Discordâncias e Deformação Plástica Uma das maneiras de representar o que acontece quando um material se deforma é imaginar o deslizamento de um plano atômico em relação a outro plano adjacente Rompimento de diversas ligações atômicas simultaneamente Baseado nesta representação é possível fazer uma estimativa teórica da tensão cisalhante crítica Discordâncias e Deformação Plástica A tensão cisalhante crítica é o valor máximo acima do qual o cristal começa a cisalhar No entanto os valores teóricos são muito maiores do que os valores obtidos experimentalmente Essa discrepância só foi entendida quando se descobriu a presença das discordâncias As discordâncias reduzem a tensão necessária para cisalhamento ao introduzir um processo sequencial e não simultâneo para o rompimento das ligações atômicas no plano de deslizamento Discordâncias e Deformação Plástica Esquema mostrando como o movimento de discordância em cunha origina um degrau unitário de deslizamento Discordâncias e Deformação Plástica A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação conformação mecânica eou por tratamentos térmicos Com o aumento da temperatura há um aumento na velocidade de deslocamento das discordâncias favorecendo o aniquilamento mútuo das mesmas e formação de discordâncias únicas Impurezas tendem a difundirse e concentrarse em torno das discordâncias formando uma atmosfera de impurezas Defeitos Interfaciais Envolvem fronteiras defeitos em duas dimensões e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas Essas imperfeições incluem Superfície externa Contorno de grão Fronteiras entre fases Maclas ou Twins Superfície Externa Na superfície os átomos não estão completamente ligados Então o estado de energia dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal Os materiais tendem a minimizar esta energia diminuição da área de contato líquidos tomam forma esférica sobre superfície plana sólida A energia superficial é expressa em ergcm2ou Jm2 Contornos de Grão Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação caracterizada pela célula unitária Contornos de Grão Os átomos próximos do contorno não possuem uma distância de equilíbrio ou arranjo definido Grãos e contornos de grão em uma amostra de aço inóx ferrítico Contornos de Grão A forma do grão é controlada Pela presença dos grãos circunvizinhos O tamanho do grão é controlado Pela composição Pela taxa de cristalização ou solidificação Contornos de Macla Simetria específica em espelho da rede cristalina As maclas resultam de deslocamentos atômicos que são produzidos a partir de Forças mecânicas de cisalhamento Tratamentos térmicos de recozimento realizado após deformação Defeitos Volumétricos São introduzidos no processamento do material eou na fabricação do componente São eles Inclusões Impurezas estranhas Precipitado são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz Fases formase devido à presença de impurezas ou elementos de liga ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado Porosidade originase devido a presença ou formação de gases Inclusões Inclusões de óxido de cobre Cu2O em cobre de alta pureza 9926 laminado a frio e recozido à 800ºC Porosidade Compactado de pó de ferro Compactação uniaxial em matriz de duplo efeito a 550 Mpa Compactado de pó de ferro Após sinterização à 1150ºC por 120min em atmosfera de hidrogênio Partículas de 2ª Fase A microestrutura é composta por veios de grafita sobre uma matriz perlítica Cada grão de perlita por sua vez é constituída por lamelas alternadas de duas fases Ferrita ou Fe alfa e Cementita ou Carboneto de ferro