Imperfeicoes - em - Solidos, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

Materiais de construção – EP

Professor: Vanderlei da Rosa

Roteiro – Imperfeições em sólidos

• Importância dos Defeitos
• Imperfeições no Arranjo Cristalino
• Tipos de Imperfeições no Arranjo Cristalino
• Vibrações na Rede
• Vazios
• Defeitos Pontuais
• Defeitos Lineares
• Defeitos Planares
• Defeitos Volumétricos
• Exercícios
• Bibliografia

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Imperfeições no Arranjo cristalino

Rede sem defeitos, ideal, T= 0K Propriedades:EL, E, diagrama de fases, equilíbrio termodinâmico

ESTRUTURA CRISTALINA (^) PERTURBAÇÕES NA ESTRUTURA CRISTALINA

Estágio 1: vibração da rede, T> Propriedades: k, D, C

Estágio 2: defeitos pontuais (vacâncias, átomos intersticiais, substitucionais, Frenkel e Schottky) na rede Propriedades: difusão, processos de transporte condução iônica, reações de estado sólido, transformações de fase, evolução da microestrutura, deformação em Televadas Estágio 3: defeitos lineares, discordâncias Propriedades: mecânicas (deformação plástica), fragilidade, dureza

Estágio 4: defeitos planares,falhas, contornos de grãos, de fases. Propriedades: magnéticas e dielétricas

Não apresenta rede cristalina, defeito volumétrico.

ESTRUTURA AMORFA

• Todos os materiais apresentam imperfeições no arranjo de seus átomos, que reflete no comportamento do mesmo.
• Controlar as imperfeições, significa obter materiais com diferentes propriedades e para novas aplicações.
• Podem existir diferentes tipos de imperfeições na rede: i) vibrações da rede: quantizadas por fônons ii) defeitos pontuais: vacâncias, átomos intersticiais, átomos substitucionais, defeito Frenkel e Schottky; iii) defeitos lineares: discordâncias; iv) defeitos planares: superfícies interna e externa e interfaces (falhas de empilhamento, contorno de fases, superfícies livres); v) defeitos volumétricos: estruturas amorfas ou não-cristalinas

Classificados pela ordem de grandeza na estrutura

Tipos de Imperfeições no Arranjo Cristalino

As vibrações da rede são quantizadas por fônons.

Configuração cristalina ideal só ocorre hipoteticamente

temperatura do zero absoluto

demais temperaturas

vibração dos átomos na rede provoca distorções no cristal perfeito;

Vibrações na Rede

O vazios surgem naturalmente devido a vibração

térmica. O número de vazios em equilíbrio pode

ser calculado pela termodinâmica:

k é a constante de Boltzmann

Q é a energia necessária para formar um vazio

é o número de locais regulares no retículo

exp

B

v

S

B

v v s

N

k T

Q

N N ¸¸

Vazios

Podem ser classificados segundo:

Ÿ FORMA

Ÿ ORIGEM DO DEFEITO

Ÿ ESTEQUIOMETRIA

• vacância
• átomo intruso
• schottky
• frenkel
  • intrínseco
  • extrínseco
    • sub rede de cátions não estequiométrico
• sub rede de ânions

Defeitos Pontuais

VACÂNCIAS:

Ÿ Também denominado de lacuna

Ÿ É a falta de um átomo na rede cristalina

Ÿ Pode resultar do empacotamento

imperfeito na solidificação inicial,

ou decorrer de vibrações térmicas

dos átomos em temperaturas elevadas

Quanto a forma Quanto a forma

Defeitos Pontuais

VACÂNCIAS:

Exemplo: Calcule o n° de vacâncias por centímetro cúbico e o n° de vacâncias por átomo de cobre, quando o cobre está (a) a temperatura ambiente, (b) 1084°C. Aproximadamente 83600 J/mol são requeridos para produzir uma vacância no cobre.

Dados:

a 0 = 3,6151 x 10-8^ cm

Q = 83600 J/mol

R = 8,31J/mol K

Quanto a forma Quanto a forma

Defeitos Pontuais

VACÂNCIAS:

nv = n exp (-Q/RT)

Exemplo - Solução

O número de átomos de cobre por parâmetro da rede por cm^3 é:

n = n° átomos/célula volume da célula unitária

n = 4 átomos/célula = 8,47 x 10^22 átomos Cu/cm (3,6151 x 10-8)^3

O que se quer saber? nv a Tamb e a 1084°C

Quanto a forma Quanto a forma

Defeitos Pontuais

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VACÂNCIAS:

Exemplo - Solução

(b) T = 1084°C: nv = n exp (-Q/RT)

T = 1084 + 273 = 1357 K

nv = (8,47 x 10^22 ) exp [-83600/(8,31 x 1357)] nv = 5,11 x 10^19 vacâncias/cm^3

nv = 5,11 x 10^19 vacâncias/cm^3 n 8,47 x 10^22 átomos de Cu/cm^3

nv = 6,03 x 10-4^ vacâncias/ átomos de Cu n

Quanto a forma Quanto a forma

Defeitos Pontuais

DEFEITO INTERSTICIAL: DEFEITO INTERSTICIAL:

Ÿ Ÿ Quando um átomo é abrigado por uma estrutura cristalina, principalmente se esta tiver um baixo fator de empacotamento

Ÿ Ÿ Conseqüência, distorção da rede

Quanto a forma Quanto a forma

Defeitos Pontuais

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DEFEITO SUBSTITUCIONAL: DEFEITO SUBSTITUCIONAL:

Átomo substitucional pequeno Átomo substitucional grande Gera distorção na rede

Quanto a forma Quanto a forma

Defeitos Pontuais

DEFEITO FRENKEL: DEFEITO FRENKEL:

Ÿ Ÿ Quando um íon desloca-se de sua posição no reticulado (formando uma lacuna) para uma posição intersticial Ÿ Ÿ Ocorre em compostos iônicos

Quanto a forma Quanto a forma

Defeitos Pontuais