Aula 06 – Ciências dos Materiais

Estrutura Cristalinas dos Metais e Defeitos – Parte I*

Figuras e estruturas dos defeitos baseadas na aula Profa Eleani Maria da Costa- DEM/PUCRS disponibilizada em rede virtual pública.

Fator de Empacotamento para um metal de raio r

• Cúbico simples:

FEA = 4/3πr3 como a=2r FEA=0,52 1 a3

• Cúbico de Corpo Centrado:

FEA = 4/3πr3 como a=4r/√3 FEA=0,68 2

• Cúbico de Face Centrada:

FEA = 4/3πr3 como a=2r/√2 FEA=0,74 4

a3

a3

No de átomos por célula

Cálculo da densidade teórica de um sólido metálico

ρ = nPA VCNA

Onde:n= número de átomos por célula unitáriaPA= peso atômicoVC= volume da célula unitária

NA = número de Avogrado (6,02x1023)

Exercícios

• Calcule o raio de um átomo de tântalo sabendo que o Ta possui uma estrutura cristalina CCC, uma massa específica (densidade) de 16,6g/cm3 e um peso atômico de 180,9 g/mol.

Exercícios

• O Nióbio possui um raio atômico de 0,143 nm e uma massa específica de 8,57g/cm3. Determine se ele possui uma estrutura cristalina CFC ou CCC. Peso atômico =92,9g/mol.

ρ = nPA VCNA

Exercícios

• O raio atômico do Pb vale 0,175nm, calcule o volume de sua célula unitária em m3

sabendo que o Pb apresenta estrutura cristalina CFC.

Defeitos Cristalinos – o que é um defeito? Devem ser evitados?

• - Defeitos pontuais• - Defeitos de linha (discordâncias)• - Defeitos de interface (grão e maclas)• - Defeitos volumétricos

(inclusões, precipitados)

• É uma imperfeição no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal.

• Podem envolver uma irregularidade na posição dos átomos e no tipo de átomos

• O tipo e o número de defeitos dependem:

- da constituição química do material- das circunstâncias sob as quais o

material é processado.

Tipos de Defeitos: classificados de acordo com sua geometria ou dimensões

• Defeitos Pontuais associados c/ 1 ou 2 posições atômicas

•• Defeitos lineares uma dimensão

• Defeitos planos ou interfaciais (fronteiras) duas dimensões

• Defeitos volumétricos três dimensões

Nem sempre é Maléfico

DEFEITOS

INTRODUÇÃOSELETIVA

CONTROLE DO NÚMERO ARRANJO

Permite desenhar e criar novos materiais com a combinação desejada de propriedades

Casos Positivos• O processo de dopagem em semicondutores:

mudança no tipo de condutividade

• A deformação mecânica dos materiais promove a formação de imperfeições:

geram um aumento na resistência mecânica (processo encruamento):

• Wiskers de ferro (sem imperfeições do tipo discordâncias):

resistência maior que 70GPaferro comum r 270MPa.

Defeitos Pontuais

• Vacâncias ou vazios

• Átomos IntersticiaisSchottkyFrenkel

Ocorrem em sólidos iônicos

Defeitos Pontuais: visão geral

Defeitos Pontuais: vacâncias ou lacunas

• Envolve a falta de um átomo.

• São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (os átomos deslocam-se de suas posições normais).

Defeito Pontual: vacâncias ou vazios

• O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura

Nv= N exp (-Qv/KT) lacunas/m3

Nv= número de vacânciasN= número total de sítios por unidade de volumeQv= energia requerida para formação de vacânciasK= constante de Boltzman = 1,38x1023J/at.K ou

8,62x10-5 eV/ at.K

N= NAρ PAOnde: NA=no avogrado;

ρ = densidade e PA= peso atômico

Cálculo de lacunas a uma dada T

• Calcule o no de lacunas em equilíbrio por m3 de Cu, a 1000oC. A energia para formação de uma lacuna é de 0,9 eV/atomo.

PA: 63,5 g/molρ= 8,4 g/cm3 (T=1000oC)NAVOG= 6,02x1023 atomos/mol

Defeito Intersticial

Átomo intersticial pequeno

Átomo intersticial grande

Gera maior distorção na rede

Defeito Intersticial• 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 uma vacância, por isso este defeito é menos provável que uma vacância

Defeitos Pontuais

Defeitos Pontuais

FRENKEL

• Ocorre em sólidos iônicos

• Ocorre quando um íon sai de sua posição normal e vai para um interstício

SCHOTTKY

• Presentes em compostos que tem que manter o balanço de cargas

• Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion

Superfície metálica: microscópia eletrônica de tunelamento ou microscopia de força atômica

Superfície (111) do ouro (estrutura CFC)

adição uma monocamada decobre

Em níveis de monocamadas nem sempre o elemento de liga provoca Aparecimento de de defeitos.

A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR

• Soluções sólidas [átomos] < limite de solubilidade

• Segunda fase [átomos] > limite de solubilidade

A solubilidade depende :• Temperatura• Tipo de impureza• Concentração da impureza

IMPUREZAS NOS SÓLIDOS

• As impurezas (chamadas elementos de liga) são adicionadas intencionalmente com a finalidade:

• aumentar a resistência mecânica• aumentar a resistência à corrosão• aumentar a condutividade elétrica• etc.

IMPUREZAS NOS SÓLIDOS• Um metal considerado puro sempre tem

impurezas (átomos estranhos) presentes

99,9999% = 1022-1023 impurezas por cm3

• A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais

Terminologia

• Elemento de liga soluto (< quantidade) (ou impureza)

• Matriz solvente(>quantidade) (ou hospedeiro)

Especificação da Composição

• Composição de uma liga em termos de seus elementos constituintes:

porcentagem em peso (ou massa)(%p) porcentagem atômica (no átomos) (%a)

Exercícios• Uma liga contém 80% em peso de Al e 20% em

peso de Mg. Qual a porcentagem atômica de cada um na liga?

• Suponha que 20% dos átomos de Cu são substituídos por Al em um bronze de alumínio. Quais porcentagens de peso que estão presentes?

PA: Mg- 24,3 g/mol; Al- 26,98 g/mol; Cu- 63,54g/molNv= 6,02x1023 atomos/mol