Solidificação e Imperfeições Cristalinas

Solidificação e imperfeições cristalinas Apresentação Seja bemvindo O processo de solidificação dos metais ocorre a partir da nucleação formação de núcleos estáveis e do crescimento dos cristais A nucleação pode ser homogênea ocorre quando o metal é resfriado abaixo da sua temperatura de solidificação e os átomos se unem uns aos outros formando os núcleos estáveis ou heterogênea ocorre a partir de agentes nucleantes os quais reduzem a energia livre crítica necessária para a formação de um núcleo estável Quando apenas um núcleo cresce formando um cristal temos os materiais monocristalinos quando há o crescimento de vários núcleos formando vários cristais temos os materiais policristalinos Esses materiais estão susceptíveis a defeitos e imperfeições que refletem nas propriedades finais dos materiais Nesta Unidade de Aprendizagem você irá estudar os processos de solidificação dos metais e as principais diferenças entre a nucleação homogênea e heterogênea Além disso poderá distinguir os materiais monocristalinos dos policristalinos e suas respectivas propriedades mecânicas Também irá aprender sobre os diferentes tipos de defeitos existentes e as suas implicações nos materiais Bons estudos Ao final desta Unidade de Aprendizagem você deve apresentar os seguintes aprendizados Analisar o processo de solidificação dos metais e a diferença entre os dois tipos de nucleação homogênea e heterogênea Distinguir entre monocristais e materiais policristalinos além das diferenças entre as suas propriedades mecânicas Verificar os tipos de imperfeições cristalinas e o papel dos defeitos sobre as propriedades mecânicas e elétricas de materiais cristalinos Desafio Você trabalha na empresa Fundição Ltda a qual produz lingotes de alumínio para extrusão Na figura A é possível observar a seção de um lingote vazado com grãos colunares de grandes dimensões Todavia o cliente deseja que o material apresente uma estrutura de grãos finos e equiaxiais conforme pode ser visualizado na figura B O seu desafio é orientar a sua equipe de trabalho quanto à solução para a obtenção desse material Redija um texto explicando como você faria isso Infográfico Há varias etapas para que um metal se solidifique Inicialmente ocorre a formação de núcleos estáveis no líquido a partir da nucleação homogênea ou heterogênea posteriormente há o crescimento desses núcleos formando os cristais Estes se unem e formam os grãos e os contornos de grãos Acompanhe no Infográfico a seguir as várias etapas da solidificação dos metais Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Conteúdo do livro A solidificação dos metais ocorre a partir da formação de núcleos estáveis e do crescimento dos cristais Caso haja o crescimento de um único núcleo são formados os monocristais quando há o crescimento de vários núcleos os materiais policristalinos Esses materiais geralmente têm defeitos e imperfeições os quais refletem nas propriedades finais dos materiais Leia mais no capítulo Solidificação e imperfeições cristalinas da obra Química tecnológica que serve de base teórica para esta Unidade de Aprendizagem QUÍMICA TECNOLOGICA Kelly Cristina de Lira Lixandrão Solidificação de metais e de ligas nucleação homogênea e heterogênea O processo de solidificação de metais e ligas ocorre a partir de dois processos nucleação em que ocorre a formação de núcleos estáveis no líquido e cresci mento dos núcleos que forma os cristais Na Figura 1 é possível observar a esquematização desses processos enquanto na Figura 2 é ilustrado o processo de solidificação de uma liga por intermédio do microscópio eletrônico No metal líquido a nucleação homogênea e a nucleação heterogênea são os mecanismos responsáveis pela nucleação das partículas sólidas A nucleação homogênea ocorre quando o metal puro é resfriado abaixo da sua temperatura de solidificação na qual os átomos se movimentam lenta mente e se ligam uns aos outros formando os núcleos homogêneos O núcleo precisa alcançar um tamanho crítico para que seja estável e possa crescer para formar o cristal Quando o conjunto de átomos ligados uns aos outros têm tamanho maior que o tamanho crítico é chamado de núcleo no entanto quando o tamanho é inferior ao crítico esse conjunto é então chamado de embrião Por serem instáveis dissolvemse dentro do metal líquido devido à agitação atômica Figura 1 Esquema ilustrativo das etapas da solidificacao de metais a formacao de núcleos b crescimento dos núcleos formando os cristais c uniao dos cristais para formar os graos e contornos de graos Fonte Smith e Hashemi 2012 Líquido Líquido Núcleo Cristais que formarão grãos Contornos de grãos Grão a b c Solidificacao e imperfeicões cristalinas 2 Figura 2 Visao do processo de solidificacao de arseneto de gálio pelo microscópio eletrônico com múltiplos aumentos Fonte Zagach DesignShutterstockcom A nucleação heterogênea acontece no líquido sobre agentes nucleantes impurezas parede do molde outros materiais que reduzem a energia livre crítica necessária para a formação de um núcleo estável Assim para que o mecanismo ocorra é necessário que o agente nucleante seja molhado pelo metal líquido Na Figura 3 é possível observar o agente nucleante sendo molhado pelo metal líquido o qual está em processo de solidificação Formase então entre o agente nucleante e o metal sólido um ângulo de contato θ É dessa forma que ocorre a nucleação heterogênea pois a energia superficial para a formação de um núcleo estável é menor que a energia necessária para formálo no líquido puro nucleação homogênea Então nos processos de fundição em função de não ocorrer super resfriamento elevado a nucleação será obrigatoriamente heterogênea e não homogênea 3 Solidificacao e imperfeicões cristalinas Figura 3 Nucleacao heterogênea de um sólido sobre um agente nucleante Fonte Smith e Hashemi 2012 θ θ θ ângulo de contato Líquido Sólido Agente nucleante γSL γagS γagL Formação de monocristais e materiais policristalinos com diferentes propriedades mecanicas Após os núcleos estáveis crescerem no metal que está se solidificando eles formam cristais Quando a solidificação do metal estiver finalizada os cristais chamados de grãos se unem uns aos outros gerando contornos de grãos os quais apresentam diferentes orientações com distâncias de alguns átomos Durante a solidificação se a quantidade de núcleos disponíveis for pequena será produzida uma estrutura com grãos grossos Todavia se houver uma grande quantidade de núcleos a estrutura resultante apresentará uma estrutura de grãos finos a qual é a mais desejada em função de proporcionar melhor resistência mecânica e melhor uniformidade de produto acabado Quando o metal é vazado no molde sem a utilização de refinadores de grãos podem ser originados os grãos equiaxiais o crescimento é igual em todas as direções e em geral crescem junto às paredes do molde devido ao superresfriamento nessa área e grãos colunares alongados e estreitos que crescem perpendicularmente às paredes do molde devido ao elevado gradiente de temperatura O esquema de um metal solidificado em um molde frio pode ser visto na Figura 4 na qual são mostrados dois tipos de grãos formados Solidificacao e imperfeicões cristalinas 4 Figura 4 Esquema da estrutura de grao de um metal solidificado em um molde frio Fonte Smith e Hashemi 2012 Grãos equiaxiais Molde Grãos colunares Em uma indústria de alumínio por exemplo as placas grossas e os lingotes extrudados são as formas mais comuns Para a produção de lingotes com grãos finos são adicionados ao metal líquido elementos refinadores de grãos tais como titânio boro ou zircônio antes da operação de vazamento Dessa forma o material apresenta grãos finos e equiaxiais enquanto os lingotes que não foram refinados apresentam grãos colunares que têm maiores dimensões Os materiais cristalinos em engenharia podem ser formados por um único cristal chamados de monocristais ou por muitos cristais chamados de poli cristalinos os quais constituem a maior parte desses materiais No monocristal ocorre a solidificação de um único núcleo assim não haverá nucleação e crescimento de nenhum outro cristal 5 Solidificacao e imperfeicões cristalinas Na Figura 5 é possível observar palhetas de turbinas a gás produzidas por grãos equiaxiais colunares e monocristais As palhetas de monocristais são mais resistentes do que as outras duas pois acima da metade do ponto de fusão para um metal em altas temperaturas os contornos de grão se tornam mais fracos que a sua própria estrutura Figura 5 Diferentes estruturas de graos de palhetas de turbinas a gás a equiaxial policristalino b colunar policristalino c monocristal Fonte Smith e Hashemi 2012 a b c A maioria dos metais é utilizada na forma de liga metálica que é a mistura de dois ou mais metais ou de um metal e um não metal O tipo mais simples de liga é a solução sólida na qual um sólido é constituído por dois ou mais elementos dispersos em uma única fase Há dois tipos de soluções sólidas substitucionais e intersticiais As soluções sólidas substitucionais são formadas por dois elementos sendo que os átomos de soluto podem substituir os átomos de solvente na rede cristalina deste conforme pode ser visto na Figura 6 Solidificacao e imperfeicões cristalinas 6 Figura 6 Solucao sólida substitucional Os círculos escuros representam um tipo de átomo e os claros outro tipo Fonte Smith e Hashemi 2012 Para que haja uma boa solubilidade de um elemento no outro o diâmetro dos átomos dos elementos não deve ser maior que 15 pois caso isso ocorra poderá ser provocada a distorção da rede cristalina Os elementos devem apresentar a mesma estrutura cristalina Quanto à eletronegatividade entre os elementos esta deve ser próxima do contrário o elemento mais eletropositivo perderá elétrons e o mais eletronegativo receberá formando um composto Por fim os dois elementos devem apresentar a mesma valência pois caso haja perda ou déficit de elétrons nos átomos a ligação poderá ser prejudicada As soluções sólidas intersticiais ocorrem quando os átomos de soluto ocupam os interstícios entre os átomos do solvente e são favorecidas quando os átomos de um elemento são muito maiores que os de outro elemento Na Figura 7 há um exemplo desse tipo de solução 7 Solidificacao e imperfeicões cristalinas Figura 7 Esquema mostrando uma solucao sólida intersticial de carbono em ferro É possível notar a distorcao dos átomos de ferro raio 0129 nm em volta dos átomos de carbono raio 0075 nm os quais ocupam interstícios com 0053 nm de raio Fonte Smith e Hashemi 2012 a Carbono r 0075 nm Ferro r 0129 nm Imperfeições cristalinas e papel dos defeitos sobre as propriedades mecanicas e eletricas de materiais cristalinos Os cristais sempre apresentam imperfeições e defeitos sendo que estes afetam muitas propriedades físicas e mecânicas dos materiais de engenharia As imperfeições são classificadas em função de sua geometria e forma em defeitos pontuais lacuna intersticial defeitos lineares discordâncias defeitos bidimensionais ou planares superfícies externas contornos de grãos maclas falhas de empilhamento e também os defeitos tridimensionais poros fendas e inclusões Os defeitos pontuais mais simples são as lacunas as quais se referem a uma posição atômica em que não há um átomo e que podem ser criadas durante a solidificação como consequência de perturbações locais ou pelo rearranjo atômico devido à mobilidade atômica Figura 8a Outro tipo de defeito pontual é o autointersticial que não ocorre por dis torção na estrutura mas por irradiação ou seja nesse caso é possível que um átomo ocupe interstício entre os átomos vizinhos Figura 8b Solidificacao e imperfeicões cristalinas 8 Figura 8 Defeitos a pontual de lacuna b pontual autointersticial ou intersticial na rede compacta de um metal sólido Fonte Smith e Hashemi 2012 Vazios ou Lacunas Autointersticial a b Na Figura 9 observamse outros dois defeitos pontuais os quais ocorrem em sólidos iônicos e que quando estão presentes nestes aumentam a sua condutividade elétrica O defeito de Schottky ocorre quando faltam dois íons de cargas opostas formando uma bilacuna cátionânion e o defeito de Frenkel quando um cátion se move para um interstício formando uma lacuna catiônica no local em que o íon estava Figura 9 Representacao bidimensional de um cristal iônico mostrando um defeito de Schottky e um defeito de Frenkel Fonte Smith e Hashemi 2012 Defeito de Schottky Defeito de Frenkel 9 Solidificacao e imperfeicões cristalinas Os defeitos lineares ou discordâncias são gerados por uma distorção da rede em torno de uma linha Os dois tipos principais de discordâncias são em cunha e em hélice Na discordância em cunha o vetor de Burgers b deslocamento dos átomos em torno da discordância é perpendicular à linha da discordância enquanto na discordância em hélice o vetor de Burgers b é paralelo à linha da discor dância Figura 10 Figura 10 a discordância em cunha positiva em uma rede cristalina Há um defeito linear na regiao imediatamente acima do T invertido na qual um semiplano atômico foi introduzido b discordância em cunha com indicacao da orientacao do vetor de Burgers b Fonte Smith e Hashemi 2012 Linha de discordância em hélice b Linha de discordância a b Os defeitos planares incluem os contornos de grãos região de desalinha mento atômico entre grãos adjacentes nos quais a compactação atômica é mais baixa do que no interior dos grãos e a energia é alta devido à presença de alguns átomos em posições distorcidas Solidificacao e imperfeicões cristalinas 10 Na Figura 11 podem ser vistas as maclas região em que existe uma estrutura espelhada por meio de um plano ou contorno e assim como as discordâncias também tem a tendência de reforçar o material enquanto na Figura 12 há exemplos de falhas de empilhamento formada quando ocorre um colapso durante o crescimento de um material cristalino em um dos planos de empilhamento Entre os defeitos planares os contornos de grãos são os que têm maior eficiência em aumentar a resistência de um metal Quanto aos defeitos vo lumétricos ou tridimensionais estes também influenciam o comportamento dos materiais e são formados quando defeitos pontuais se unem para formar vazios ou poros Figura 11 Esquema mostrando a relacao entre a estrutura bidimensional de um material cristalino e a rede tridimensional Estao apresentadas somente as partes do interior e das faces dos graos Fonte Smith e Hashemi 2012 Microestrutura na superfície superior Cada grão está sombreado de forma distinta Vértice junção de quatro grãos Face entre dois grãos Borda comum a três grãos Volume de um grão 11 Solidificacao e imperfeicões cristalinas Figura 12 Contornos de macla em estrutura de graos de bronze Fonte Smith e Hashemi 2012 A microestrutura e os defeitos que ocorrem nos materiais podem ser identificados a partir de técnicas experimentais as quais auxiliam no entendimento do comportamento desses materiais Análises microscópicas tais como microscopia eletrônica de varredura MEV mi croscopia eletrônica de transmissao MET e microscopia eletrônica de transmissao de alta resolucao METAR sao técnicas que auxiliam na visualizacao e na compreensao das propriedades dos materiais Um exemplo disso é a utilizacao do microscópio eletrônico de transmissao utilizado para a observacao de imagens de discordâncias Solidificacao e imperfeicões cristalinas 12 SMITH W F HASHEMI J Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais 5 ed Porto Alegre AMGH 2012 Leituras recomendadas ATKINS P W JONES L Princípios de química questionando a vida moderna e o meio ambiente 5 ed Porto Alegre Bookman 2012 CALLISTER W D RETHWISCH D G Ciência e engenharia de materiais uma introducao 9 ed Rio de Janeiro LTC 2016 Referência 13 Solidificacao e imperfeicões cristalinas Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem Na Biblioteca Virtual da Instituição você encontra a obra na íntegra Dica do professor O alumínio não é encontrado diretamente em estado metálico na crosta terrestre ele é extraído da mineração da bauxita e segue para as etapas posteriores de refinaria e redução A bauxita precisa apresentar no mínimo 30 de óxido de alumínio aproveitável para que a produção de alumínio seja economicamente viável Assista ao vídeo da Dica do Professor e conheça mais sobre a produção de alumínio Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Exercícios 1 O processo de solidificação dos metais ocorre a partir da nucleação formação de núcleos estáveis e do crescimento dos cristais A nucleação pode ser homogênea ou heterogênea Qual a alternativa que melhor define a diferença entre elas A Heterogênea ocorre quando o metal é resfriado abaixo da sua temperatura de solidificação Homogênea ocorre a partir de agentes nucleantes que reduzem a energia livre crítica B Homogênea ocorre quando o metal é resfriado abaixo da sua temperatura de solidificação Heterogênea ocorre a partir de agentes nucleantes que reduzem a energia livre crítica C Homogênea ocorre quando o metal é resfriado acima da sua temperatura de solidificação Heterogênea ocorre a partir de agentes nucleantes que reduzem a energia livre crítica D Homogênea ocorre quando o metal é resfriado abaixo da sua temperatura de solidificação Heterogênea ocorre a partir de agentes nucleantes que aumentam a energia livre crítica E Heterogênea ocorre quando o metal é resfriado acima da sua temperatura de solidificação Homogênea ocorre a partir de agentes nucleantes que aumentam a energia livre crítica 2 Lingotes de alumínio são vazados com grãos colunares de grandes dimensões Para que o material apresente uma estrutura de grãos finos e equiaxiais devese adicionar elementos refinadores Quais elementos podem ser adicionados ao metal líquido A Zircônio ou magnésio B Boro ou magnésio C Titânio ou paládio D Zircônio ou paládio E Titânio ou boro 3 Palhetas de turbinas a gás foram produzidas com material equiaxial policristalino colunar policristalino e monocristalino A palheta produzida com qual material apresenta maior resistência A Colunar policristalino B Equiaxial policristalino C Monocristalino D Colunar policristalino e monocristal E Colunar policristalino e equiaxial policristalino 4 Os cristais sempre apresentam imperfeições e defeitos os quais afetam muitas propriedades físicas e mecânicas dos materiais de Engenharia As imperfeições são classificadas em função de sua geometria e forma Qual a relação correta dos defeitos A Defeitos pontuais lacuna intersticial defeitos lineares discordâncias defeitos planares contornos de grãos maclas falhas de empilhamento e defeitos volumétricos poros fendas inclusões B Defeitos pontuais lacuna discordâncias defeitos lineares intersticiais defeitos planares contornos de grãos maclas falhas de empilhamento e defeitos volumétricos poros fendas inclusões C Defeitos pontuais discordâncias maclas defeitos lineares intersticiais defeitos planares contornos de grãos lacuna falhas de empilhamento e defeitos volumétricos poros fendas inclusões D Defeitos pontuais lacuna intersticial defeitos lineares falhas de empilhamento defeitos planares contornos de grãos fendas discordâncias e defeitos volumétricos poros maclas inclusões E Defeitos pontuais poros discordâncias defeitos lineares intersticiais defeitos planares inclusões maclas falhas de empilhamento e defeitos volumétricos lacuna fendas contornos de grãos 5 Análises microscópicas tais como Microscopia Eletrônica de Varredura MEV Microscopia Eletrônica de Transmissão MET e Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução METAR são técnicas que auxiliam na visualização e na compreensão das propriedades dos materiais Um exemplo disso é a observação de imagens de discordâncias Qual a técnica utilizada nessa observação A Microscopia Eletrônica de Varredura B Microscopia ótica binocular C Metalografia Óptica D Microscopia Eletrônica de Transmissão E Microscopia Óptica e Microscopia Eletrônica de Varredura Na prática A indústria Silic Tecnologia é conhecida pelo seu alto padrão em desenvolver processadores e chips O silício está na composição de todos os seus produtos nos chips de celulares de computadores de mp3 player e de processadores Por que eles utilizam esse material Saiba Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto veja abaixo as sugestões do professor Influência na microestrutura e na microdureza decorrente da adição de 4Ag na liga Al4Cu solidificada unidirecionalmente No link a seguir você verá uma síntese de nanopartículas de cobre a partir da utilização de um método verde Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Ligas metálicas quasicristalinas e processos de aspersão térmica para revestimentos como barreira térmica No link a seguir você verá que foram analisadas ligas quasicristalinas como potenciais materiais de recobrimento que visam diminuir os efeitos de tensões térmicas geradas na interface entre o substrato e o recobrimento decorrentes das elevadas diferenças de coeficientes de expansão térmica Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Contaminação de lâminas de silício por metais durante a imersão em solução diluída de ácido fluorídrico ou de água deionizada contendo cloretos metálicos No link a seguir você verá que a contaminação metálica em semicondutores especialmente em silício é uma causa bem conhecida de falhas em dispositivos Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar