Defeitos Cristalinos Em Metais 4q3f1l

MTM 15 - CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS I

Defeitos cristalinos em metais

v

IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS Imperfeições cristalinas: são possíveis maneiras geométricas pelas quais um cristal pode-se afastar de sua estrutura ideal. É a diferença entre a perfeição total e a imperfeição.

IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS Os metais apresentam inúmeros defeitos, que são classificados de acordo com suas dimensões. v Pontuais:

vazios, átomos intersticiais, átomos substitucionais;

v Lineares:

discordâncias (aresta, hélice, mista);

v Superficiais: contornos v Volumétricas:

precipitados.

de grão, maclas, falhas de empilhamento); e

bolhas, trincas, aglomerados, partículas com diferentes orientações,

DEFEITOS PONTUAIS

Fonte: http://www.cienciadosmateriais.org/

DEFEITOS PONTUAIS

Vacâncias

O mais simples dos defeitos de pontos é uma vacância ou sítio vazio da rede, isto é, está faltando um átomo no sítio normalmente ocupado. Vacâncias são formadas durante a solidificação e também como um resultado de vibrações atômicas, que causam o deslocamento de átomos a partir de seus sítios normais na rede.

Callister

DEFEITOS PONTUAIS

Vacâncias

O número de equilíbrio de vazios Nv para uma dada quantidade de material depende da temperatura e cresce com ela de acordo com a equação

Nv = N × e

æ Qv ö ç- ÷ è kT ø

N= n° total de sítios; QD = energia de ativação para o defeito; k = constante de Boltzman; e O valor de k é 1,38x 10-23 J/átomo-K, ou 8,62 x 10-5 eV/átomo-K, T = temperatura absoluta.

DEFEITOS PONTUAIS

Vacâncias

Nv = N × e Nv =e N

æ Qv ö ç- ÷ è kT ø

æ Qv ö ç- ÷ è kT ø

DEFEITOS PONTUAIS

Vacâncias

Calcular o número de vacâncias por metro cúbico do cobre a 1000°C. A energia de ativação para a formação de vacâncias é 0,9 eV/atomo. O peso atômico do cobre é 63,5 g/mol e a densidade é 8,4 g/cm3

k = 8,62 x 10-5 eV/átomo-K

DEFEITOS PONTUAIS

Vacâncias

Formação de vazios (outras formas que não o aquecimento) v Deformação plástica; v Ondas de choque; e v Irradiação (aceleradores de partículas e reatores nucleares).

DEFEITOS PONTUAIS

Vacâncias

DEFEITOS PONTUAIS

Auto-intersticial

Um auto-intersticial é um átomo do cristal que é comprimido (empurrado) para dentro de um sítio intersticial, um pequeno espaço vazio que sob condições ordinárias não é ocupado.

Callister

Existem em concentrações muito pequenas, que são significativamente menores do que aquelas para vacâncias.

DEFEITOS PONTUAIS

IMPUREZAS EM SÓLIDOS

Mesmo com técnicas relativamente sofisticadas, é difícil refinar metais até uma pureza que exceda 99,9999%. Neste nível, da ordem de 1022 a 1023 átomos impurezas estarão presentes num metro cúbico de material. Muitos metais familiares não são altamente puros; ao contrário, eles são ligas , nas quais átomos impurezas foram adicionados intencionalmente para conferir características específicas aos materiais. Solvente representa o elemento ou composto que está presente na máxima quantidade; ocasionalmente, átomos solventes são denominados átomos hospedeiros. Soluto é usado para denotar um elemento ou composto presente numa menor concentração.

DEFEITOS PONTUAIS

Soluções Sólidas

Quando misturas homogêneas de duas ou mais espécies atômicas ocorrem no estado sólido, elas são chamadas de soluções sólidas.

Solução sólida entre os elementos Paládio e Hidrogênio

DEFEITOS PONTUAIS

Soluções Sólidas

As soluções sólidas podem ser de dois tipos distintos. Solução sólida substitucional (Neste caso ocorre uma substituição direta de um tipo de átomo por outro, de forma que os átomos de soluto se localizam em posições normalmente ocupadas por átomos de solvente). Solução sólida Intersticial (Aqui, o átomo de soluto ocupa um dos orifícios, ou interstícios, existentes entre os átomos de solvente (ferro))

Figura 4.1 Os dois tipos básicos de soluções sólidas. Observação: no exemplo de intersticial, à direita, o carbono está em solução sólida no ferro cúbico de face centrada. Na próxima figura o carbono será mostrado nos interstícios do ferro cúbico de corpo centrado (Reed Hill)

DEFEITOS PONTUAIS

Soluções Sólidas

SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS

É fácil concluir que os átomos de soluto situados em interstícios devem ser pequenos. Soluções sólidas intersticiais extensas ocorrem somente se o átomo de soluto tem um diâmetro aparente menor que 0,59 do de solvente. Os quatro mais importantes solutos ntersticiais são carbono, nitrogênio, oxigênio e hidrogênio, todos eles de pequeno diâmetro.

Carbono (C) 67 pm

Nitrogênio (N) 65 pm

Oxigênio (O) 48 pm

Hidrogênio (H) 53 pm

DEFEITOS PONTUAIS

Soluções Sólidas

Átomo de carbono dissolvido Intersticialmente em uma posição ½ 1 ½ de uma estrutura CCC de ferro alfa.

Fonte: Shackelford

INTERSTÍCIOS EM CRISTAIS CCC

INTERSTÍCIOS EM CRISTAIS CCC

Interstícios tetraédricos

Interstícios tetraédricos são compostos por quatro átomos que juntos formam um tetraedro (figura com quatro lados). Existem 24 (vinte e quatro) sítios tetraédricos na estrutura CCC. Existem quatro sitios tetraédricos sobre cada uma das seis faces da célula ( ½, ¼,0).

INTERSTÍCIOS EM CRISTAIS CCC

Interstícios octaédrico

Interstícios octaédrico são compostos por seis átomos que juntos formam um octaedro (figura com oito lados). Existem dezoito interstícios na estrutura CCC v um sítio octaédrico em cada uma das seis faces da célula CCC( ½, ½,0) v um em cada uma das doze bordas da célula ( ½,0,0).

INTERSTÍCIOS EM CRISTAIS CFC

INTERSTÍCIOS EM CRISTAIS CFC

Interstícios tetraédricos

Interstícios tetraédricos são compostos por quatro átomos que juntos formam um tetraedro (figura com quatro lados). Existem oito sítios tetraédricos na estrutura CFC. Dois em cada diagonal do cubo.

INTERSTÍCIOS EM CRISTAIS CCC

Interstícios octaédrico

Interstícios octaédrico são compostos por seis átomos que juntos formam um octaedro (figura com oito lados). Existem treze interstícios na estrutura CFC um sítio no centro da célula ( ½, ½, ½) um em cada uma das doze bordas das células ( ½,0,0).

INTERSTÍCIOS EM CRISTAIS HC

INTERSTÍCIOS EM CRISTAIS HC

Interstícios octaédricos

Interstícios tetraédricos

SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS REGRA DE HUME-ROTHERY 1- Tamanho atômico: Quanto maior for a diferença entre os tamanhos dos átomos do soluto e do solvente, menor é a faixa de soluções. Se os raios diferem mais de 15%, a solubilidade é pequena. Em outras palavras, o raio do átomo de soluto deve ser menor do que 0,59 do raio do átomo do solvente.

SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS REGRA DE HUME-ROTHERY 2- Estrutura cristalina: o tipo de estrutura cristalina deve ser o mesmo.

Cu

Ni

SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS REGRA DE HUME-ROTHERY 3- Valência química: O metal de menor valência (soluto) provavelmente se dissolverá no metal de maior valência (solvente). Esta regra é válida para as ligas de cobre (Cu), prata (Ag) e ouro (Au) com metais de maior valência. Para ocorrer extensa faixa de solubilidade, as valências dos dois elementos não devem diferir de mais de uma unidade.

SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS

. Posição na série letroquímica. Dois elementos muito separados nessa série ormalmente não formam gas, mas se combinam onforme as regras de alência química. Nesse caso, elemento mais eletropositivo ede seus elétrons de alência para o elemento mais letronegativo, resultando em m cristal com ligação iônica.

REGRA DE HUME-ROTHERY

SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS

REGRA DE HUME-ROTHERY A tabela abaixo mostra a relação entre a solubilidade e condições listadas, para algumas ligas cujo solvente é o cobre (Cu), apresentando as seguintes características: estrutura CFC, raio atômico=0.128 nm, eletronegatividade de 1,9 e valência +1. Tabela 1 – Solubilidade de alguns elementos no cobre, em função das condições listadas.Fontes:VAN VLAC, 1977 e ASKELAND & PHULÉ, 2003 Soluto

Estrutura

Raio atomico (nm)

Eletronegatividad e

Valênci a

Solubilidade % em peso

% atômica

Ni

CFC

0.125

1,9

+2

100

100

Al

CFC

0.143

1,5

+1

9

19

Ag

CFC

0.144

1,9

+1

8

6

Pb

CFC

0.175

1,9

+2

≅0

≅0

EXERCÍCIO REGRA DE HUME-ROTHERY

Sendo o raio atômico do Cu igual à 0.128 nm. a) Calcule as diferenças entre os raios atômicos, utilize a equação abaixo:

b) Explique a baixa solubilidade do Pb no Cu. Soluto

Estrutura

Raio atomico (nm)

Eletronegatividad e

Valênci a

Solubilidade % em peso

% atômica

Ni

CFC

0.125

1,9

+2

100

100

Al

CFC

0.143

1,5

+1

9

19

Ag

CFC

0.144

1,9

+1

8

6

Pb

CFC

0.175

1,9

+2

≅0

≅0

DEFEITOS LINEARES

Imperfeições cristalinas (Defeitos de linha) vdiscordâncias (aresta, hélice, mista);

INTRODUÇÃO HISTÓRICA AO CONCEITO DE DISCORDÂNCIA A figura mostra o ensaio de um mono cristal de magnésio com o plano basal inclinado em 45°.

Linhas de escorregamento ou Traços de escorregamento

INTRODUÇÃO HISTÓRICA AO CONCEITO DE DISCORDÂNCIA

A deformação plástica ou permanente de um cristal perfeito (isento de defeitos cristalinos) pode ocorrer pelo deslocamento de planos de átomos em relação aos planos paralelos adjacentes. Deslocamento simultâneo e coordenado de uma posição estável até outra posição estável

INTRODUÇÃO HISTÓRICA AO CONCEITO DE DISCORDÂNCIA

A tensão de cisalhamento ou cisalhante necessária para que o processo da figura 9.1 ocorra foi calculada pela primeira vez em 1926 por J. Frenkel.

Onde G é o módulo de cisalhamento e a e b estão definidos na figura.

De um modo geral, os cristais reais começam a deformar-se plasticamente em tensões entre 1/1000 e 1/10000 da tensão teórica calculada por Frenkel.

INTRODUÇÃO HISTÓRICA AO CONCEITO DE DISCORDÂNCIA Em 1934, E. Orowan e Taylor propam, em trabalhos independentes, a existência de um defeito cristalino linear denominado “Versetzung”, em alemão, por Orowan e Polanyi, e “dislocation”, por Taylor. Este defeito será denominado discordância

DISCORDÂNCIA A discordância é a fronteira entre a parte do cristal que deslizou ou escorregou e a parte que ainda não escorregou, conforme ilustra a figura 9.2. Ela não pode terminar no interior do cristal.

DISCORDÂNCIAS Agora podemos afirmar que a deformação plástica ocorre pelo movimento de discordâncias “varrendo” os planos de escorregamento.

DISCORDÂNCIAS Os planos de escorregamento, isto é, os planos onde as discordâncias se movimentam, são normalmente aqueles de maior densidade atômica.

DISCORDÂNCIAS

A discrepância entre a tensão de escoamento calculada e a real é devido aos defeitos que o cristal possui.

DISCORDÂNCIAS

DISCORDÂNCIAS Defeitos de linha: discordâncias.

Øaresta/cunha; Ø hélice/espiral/helicoidal; e Ø mista.

DISCORDÂNCIAS

DISCORDÂNCIAS EM CUNHA /LINHA A distorção em um cristal é então centrada ao redor da linha do plano extra. Esse contorno do plano adicional é chamada de discordância em linha.

A linha de discordância é perpendicular a tensão cisalhante

DISCORDÂNCIAS EM CUNHA /LINHA

DISCORDÂNCIAS EM CUNHA /LINHA

DISCORDÂNCIAS EM CUNHA /LINHA

DISCORDÂNCIAS EM CUNHA /LINHA

3D

3D

DISCORDÂNCIAS EM CUNHA /LINHA Discordância em cunha positiva: 1. O plano adicional está acima do plano de escorregamento. 2. A discordância avança para a esquerda 3. Os planos abaixo do plano de escorregamento se movimentam da esquerda para a direita

Discordância em cunha negativa: 1. O plano adicional está abaixo do plano de escorregamento. 2. A discordância avança para a direita 3. Os planos abaixo do plano de escorregamento se movimentam da direita para a esquerda.

DISCORDÂNCIAS EM CUNHA /LINHA

DISCORDÂNCIAS EM HÉLICE

A linha de discordância é paralela a tensão cisalhante

DISCORDÂNCIAS EM HÉLICE

Discordância em hélice à esquerda. 1. A discordância move-se para trás. Discordância em hélice à direita. 1. A discordância move-se para frente.

DISCORDÂNCIAS MISTA Uma linha de discordância não precisa ser reta (cunha e hélice). Ela pode ser curva (discordância mista), que é uma combinação entre cunha e hélice

DISCORDÂNCIAS MISTA

Dislocation in motion

VETOR DE BURGERS

O vetor b que liga o ponto final com o inicial é o vetor de Burgers da discordância.

VETOR DE BURGERS

O vetor b que liga o ponto final com o inicial é o vetor de Burgers da discordância.

ESCALAGEM DE DISCORDÂNCIAS Entretanto, existe um outro método para uma discordância em cunha se movimentar. Este processo é conhecido como escalagem e envolve o movimento em uma direção perpendicular ao plano de escorregamento. Um átomo do plano adicional move-se para uma vacância. (Escalagem positiva)

Um átomo da rede cristalina move-se para o plano adicional e produz uma vacância na rede cristalina. (Escalagem negativa)

DEFEITOS DE SUPERFÍCIE - CONTORNOS DE GRÃO

Micrografia óptica típica para uma estrutura de grão, com 100X. O material é um aço de baixo carbono. Os c.g. apresentam-se levemente atacados com uma solução química que permite a reflexão da luz de maneiras diferentes, e em contrastes diferentes. (Referência: Metals Handbook, 8 ed., v. 7: Atlas of Microstructural Alloys, ASM, Metals Park, OH, 1972).

DEFEITOS DE SUPERFÍCIE - CONTORNOS DE GRÃO

Região de ‘transição’ e ‘desordem’ entre dois cristais adjacentes (ou a superfície externa do cristal) de orientações distintas, e que apresentam alto nível de energia associada (o empilhamento atômico nesta região é imperfeito). Tais cristais são denominados “grãos”.

a) Desenho esquemático de um contorno de grão.

b) Observação metalográfica de uma amostra de aço inoxidável.

DEFEITOS DE SUPERFÍCIE - CONTORNOS DE GRÃO Discordâncias

Contorno de grão

Contorno de grão como barreira física para o movimento de discordâncias.

DEFEITOS DE SUPERFÍCIE - CONTORNOS DE GRÃO Subgrãos ou contorno de grão de baixo ângulo Quando o ângulo de orientação é leve, da ordem de uns poucos graus ~15º.

DEFEITOS DE SUPERFÍCIE - CONTORNOS DE GRÃO Estes contornos podem ser descritos em termos de disposição de discordâncias. Um contorno de grão simples de pequeno ângulo é formado quando discordâncias de aresta são alinhadas na maneira indicada na Figura.

DEFEITOS DE SUPERFÍCIE - CONTORNOS DE GRÃO

Precipitation of a cathodic phase at the grain boundaries.

DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO

ASTM preparou padrões de comparação com número tamanho de grãos compreendido entre 1 e 10. Quanto maior este número tanto menores os grãos.

DETERMINAÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO

Seja n representando o número de tamanho de grão, e N o número médio de grãos por polegada quadrada numa ampliação de 100x. Estes 2 parâmetros estão relacionados um ao outro através da expressão:

N =2 2

n -1

æ A ö n -1 Nç ÷ =2 è 100 ø

DEFEITOS DE SUPERFÍCIE - CONTORNOS DE GRÃO

Existem 21 grãos dentro do campo de visão e 22 grãos cortados pela circunferência, gerando 22.

m uma área circular com diâmetro = 2,25 pol. A densidade superficial dos grãos é

Pela Equação

u Corpo-de-prova para o cálculo de tamanho de grão, G, 100X. O material é um aço de baixo carbono. Os c.g. apresentam-se levemente atacados com uma solução química que permite a reflexão da luz de maneiras diferentes, e em contrastes diferentes. (Referência: Metals Handbook,8 ed., v 7: Atlas of Microstructural Alloys, ASM, Metals Park, OH, 1972).

DEFEITOS DE SUPERFÍCIE - CONTORNOS DE MACLA

Um contorno de macla é um tipo especial de contorno de grão através do qual existe uma específica simetria de rede especular; isto é, átomos de um ado do contorno estão localizados em posições de imagem de espelho dos átomos que estão do outro lado

Diagrama esquemático m ostrando um contorno ou plano de macla e as posições dos átomos adjacentes (círculos escuros).

DEFEITOS DE SUPERFÍCIE - CONTORNOS DE MACLA

Maclas resultam de deslocamentos atômicos que são produzidos a partir de orças de cizalhamento mecânico aplicadas (MACLAS MECÂNICAS) e ambém durante os tratamentos térmicos de recozimento em seguida à deformação (MACLAS DE RECOZIMENTO).

Fotomicrografia de uma amostra de latão policristalino recozido. 60x (Callister)

Maclas de recozimento são tipicamente encontradas em metais que têm estrutura cúbica de face centrada (CFC), enquanto que maclas mecânicas são observadas em metais CCC e HC

DEFEITOS DE MASSA OU DE VOLUME

Existem outros defeitos em todos os materiais sólidos que são muito maiores do que aqueles discutidos até aqui. Estes incluem: v poros; v trincas; v inclusões estranhas; v e outras fases.

DEFEITOS DE MASSA OU DE VOLUME

Vazios Podem ter origem nos rechupes ou nos gases retidos durante a solidificação do lingote. Eles causam tanto defeitos de superfície quanto enfraquecimento da resistência mecânica do produto.

Gotas frias São respingos de metal que se solidificam nas paredes da lingoteira durante o vazamento. Posteriormente,eles se agregam ao lingote e permanecem no material até o produto acabado na forma de defeitos na superfície.

DEFEITOS DE MASSA OU DE VOLUME

Rechupe

Representação esquemática da evolução da solidificação em lingoteiras com: (a) formação de rechupe; (b) rechupe mais vazio central.

DEFEITOS DE MASSA OU DE VOLUME

Trincas Aparecem no próprio lingote ou durante as operações de redução que acontecem em temperaturas inadequadas.

DEFEITOS DE MASSA OU DE VOLUME Dobras - São provenientes de reduções excessivas em que um excesso de massa metálica ultraa os limites do canal e sofre recalque no e seguinte.

DEFEITOS DE MASSA OU DE VOLUME

Segregações - Acontecem pela concentração de alguns elementos nas partes mais quentes do lingote, as últimas as e solidificarem. Elas podem acarretar heterogeneidades nas propriedades como também fragilização e enfraquecimento de seções dos produtos laminados.

DEFEITOS DE MASSA OU DE VOLUME

Inclusões São partículas resultantes da combinação de elementos presentes na composição química do lingote, material não fundido, ou do desgaste de refratários e cuja presença pode tanto fragilizar o material durante a laminação, quanto causar defeitos na superfície.

DEFEITOS DE MASSA OU DE VOLUME Ø Defeitos de volume: inclusões

Sulfetos de manganês (MnS) em aço rápido.

Fonte: POSMAT