Ciência e Tecnologia dos Materiais - 1 Introdução aos materiais
Introdução a ciência dos materiais Aula 2
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INTRODUÇÃO A CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Professora Ana María Pérez CeballosEngenheira Metalúrgica, M. Sc.
Aula 2Novembro de 2012
Engenheira Metalúrgica, M. Sc.
MONOCRISTAIS Para um material cristalino,quando o arranjo periódico erepetido de átomos for perfeitoou se estende através de toda aamostra sem interrupção, oresultado é um MONOCRISTAL.
Todas as células unitáriasTodas as células unitáriasencadeiam-se da mesma maneirae têm a mesma orientação.
Fotografia de um monocristal de granate encontrado na China [1].
Arranjo atômico num monocristal. Oarranjo dos átomos é periódico ao largode todo o volumé.
ANISOTROPIA
As propriedades físicas de monocristais dealgumas substâncias dependem dadireção cristalográfica na qual asmedições sejam feitas. Por exemplo, omódulo elástico, a condutividade elétrica,e o índice de refração podem ter valoresdiferentes nas direções [100] e [111].
Esta direcionalidade das propriedades édenominada ANISOTROPIA e estáassociada com a variância doespaçamento atômico ou iônico com adireção cristalográfica.
Cristal de gesso cortado com una faca num certo planocristalográfico. http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/atomic-scale-structure/single2.php
Os planos de clivagem de um cristal são planos, através dos quais o material pode quebrarou separar-se facilmente, isto é, porque as forças de ligação perpendiculares a esses planossão mais fracas do que nas outras direções. O diamante e quartzo não tem planos declivagem, por esta razão é necessária uma força maior para fratura-los.
ANISOTROPIA
Módulo elástico para metais em certos planos cristalográficos [1].
ANISOTROPIA
Birrefringência num cristal decalcita.
Num monocristal de quartzo, existe apenas uma direção na qual não há dupla refração(birrefringência). Se a amostra é cortada de modo que a luz incidente é paralelo a estadireção, não há nenhuma transmissão de luz através do vidro.
A direcção cristalográfica que exibe esta propriedade é conhecida como o EIXO ÓPTICO.
calcita. http://es.wikipedia.org/wiki/Birrefringencia
POLICRISTALES Um sólido policristalino éformado por um agregado demuitos pequenos cristais ougrãos. A junção entre estesgrãos ou cristais é chamado decontorno de grão.
Cada grão pode se pensarcomo um monocristal.
A B
como um monocristal.
Durante a solidificação noestado A se geram pequenosnúcleos que crescem em certasdireções (B) hasta que seucrescimento se vê impedidopelo encontro com um cristalvizinho (C).
Esquema da formação de um policristal durante a solidificação [1].
C D
POLICRISTALES
Arranjo atômico num policristal. O arranjo dos átomos é periódico ao
longo de cada grão.
A forma tridimensional dos grãos de um policristal ésemelhante à forma individual das bolhas de sabãoformadas por injeção de gás numa solução de sabãocontido dentro de uma caixa transparente.
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/atomic-scale-structure/poly.php
POLICRISTALES
Para muitos materiais policristalinos, a orientação cristalográfica dosgrãos que o constituem é completamente randômica. Nestascircunstâncias, apesar de cada grão poder-se comportar comoanisotrópico, a amostra formado pelo agregado de cristais secomporta isotropicamente.
Um material exibe isotropia quando o valor das propriedadesUm material exibe isotropia quando o valor das propriedadesmedidas é independente da direção cristalográfica na que se faz amedida.
A magnitude da propriedade medida está dada pela media de todosos valores medidos nas diversas direções. Algumas vezes os grãosdos materiais policristalinos têm uma orientação cristalográficapreferencial, neste caso se considera que os materiais presentãotextura cristalográfica.
DEFEITOS EM CRISTAIS
As propriedades de alguns
materiais estão influenciadas pela
presencia de imperfeições nos
cristais. Portanto, é importante
saber que existem vários tipos de
defeitos e da influência que
exercem sobre o comportamento
Defeitos Pontuais
Defeitos Lineares
exercem sobre o comportamento
dos materiais.
Exemplo: A liga 70%Cu-30%Zn é
muito mais resistente e dura que o
Cu puro.
RT Liga 70%Cu-30%Zn: 338-469 MPa
RT Cu puro: 224-314 MPa
Defeitos Planares
Defeitos Volumétricos
DEFEITOS DE PONTO
VACÂNCIAS
O mais simples dos defeitos de pontos éuma vacância ou sítio vazio da rede, isto é,está faltandoum átomo no sítio normalmente ocupado.Vacâncias são formadas durante asolidificação e também como um resultadode vibrações atômicas, que causam ode vibrações atômicas, que causam odeslocamento de átomos a partir de seussítios normais na rede.
O número de vacâncias está dado por:
Representação em duas dimensões de uma vacância [1].
kT
Q
v
v
NeN−
=
N é o número total de sítios de
átomos, Qv é a energia de
ativação (energia de vibraçãorequerida para a formação deuma vacância), T é a
temperatura absoluta, em kelvin,
e k é a constante universal dogás ideal por molécula ouconstante de Boltzmann k é
1,38 x 10-23 J/atom-K,
ÁTOMOS INTERSTICIAIS Os interstícios podem ser preenchidos por átomos da mesma espécie dos
que fazem parte da rede cristalina ou por outro tipo de átomos
(impurezas).
DEFEITOS DE PONTO
Representação em duas dimensões de um átomo intersticial da mesma espécie [1].
Representação em duas dimensões de um átomo impureza intersticial [1].
ÁTOMOS SUBSTITUCIONAIS Quando átomos de impurezas
ocupam sítios da rede cristalina
que estariam ocupados pelos
átomos da rede original.
Para que se presente um átomo
DEFEITOS DE PONTO
Para que se presente um átomo
substitucionais:
• tamanho atômico
• estrutura cristalina
• diferencia de eletronegatividade
• número de valênciaRepresentação em duas dimensões de um átomo
impureza substitucional[1].
Exemplo: Solução sólida substitucional Cu-Ni
rCu= 0,128 nm, rNi= 0.125 nm, FCC, eletronegatividade Cu=1,9 Ni=1,8, valência +1 Cu, +2 Ni
DEFEITOS DE PONTO
Efeito dos átomos substitucionais e intersticiais sobre a rede cristalina e sobre a curva tensão-deformação [3].
PARES DE FRENKEL E SCHOTTSKY
• Frenkel: Um cátion sedesloca de seu ponto derede ao interstício eorigina uma vacância.
DEFEITOS DE PONTO
Representação em duas dimensões de pares de Frenkel e Schottsky [1].
• Schottsky: Dois íons decarga oposta se perdem,gerando um par deburacos por causa dasua ausência.
• Vacâncias
• Átomos Intersticiais
• Átomos SubstitucionaisMetais
DEFEITOS DE PONTO
DEFEITOS DE PONTO
• Pares de Frenkel
• Pares de SchottskyCerâmicas
DE PONTO
DEFEITOS LINEARES
DISCORDÂNCIAS
Uma discordância é um defeito linear ou
unidimensional ao redor de alguns átomos
desalinhados, este tipo de defeitos se
aparecem durante processos de
solidificação ou deformação mecânica,
causando a distorção da rede.causando a distorção da rede.
A magnitude e direção da distorção da rede
associada à presencia da discordância é
dada em termos do vetor de Burgers . Para
uma discordância de aresta, este é
perpendicular à direção da discordância.
Para uma discordância em parafuso, este é
paralelo à direção da discordância.
Posições atômicas ao redor de uma discordância de aresta [1].
DISCORDÂNCIAS DE ARESTA
É um defeito linear que é dado pela presença de uma porçãoextra de um plano de átomos, ou meio plano, cuja arestatermina dentro do cristal.
DEFEITOS LINEARES
Movimento de uma discordância de aresta ao
aplicar um esforçohttp://www.ic.arizona.edu/ic/mse257/class_notes/disclo
cation.html
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/dislocations/media.php?type=video&file=true-glide.mov&caption=Animation+of+slip+by+dislocation+glide&width=305&height=245&popup=&return=dislocation_glide
DISCORDÂNCIAS EM PARAFUSO
É um defeito linear que é dado pela rotação e deslizamento de
um plano de átomos sobre outros.
DEFEITOS LINEARES
Discordância em parafuso[1].
DISCORDÂNCIAS MISTAS
Muitas discordâncias encontradas em materiais cristalinos provavelmente não sãonem discordâncias de aresta pura nem discordâncias em espiral puras, mas simcompostas de ambos os tipos discordâncias; estas são denominadas discordânciasmistas.
DEFEITOS LINEARES
Discordância Mista[1].
DISCORDÂNCIAS
DEFEITOS LINEARES
This TEM image shows the interior of a quartz grain experimentally deformed.
http://virtualexplorer.com.au/special/meansvolume/contribs/jessell/lectures/lec1.html
DEFEITOS PLANARES OU INTERFACIAIS
Defeitos interfaciais sãocontornos que têm 2 dimensõese normalmente separam regiõesdos materiais que têm diferentesestruturas cristalinas e/ouorientações cristalográficas.
Estas imperfeições incluemsuperfícies externas, contornosde grão, contornos de maclas,falhas de empilhamento econtornos de fases.
Contornos de grão de baixo e alto angulo [1].
DEFEITOS EM SÓLIDOS
http://homepages.spa.umn.edu/~vinals/research/defect_motion/index.html
DEFEITOS EM SÓLIDOS
DEFEITOS EM SÓLIDOS
http://www.weldreality.com/stainlesswelddata.htm
Corrosão intergranular num aço inox
REFERÊNCIAS
[1] Callister W., Materials Science and Engineering, and Introduction. Ed.John Wiley and sons, 7 Ed, 2007.
[2] Askeland D.R., Phulé P.P., Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Ed.Thomson, 4 Ed, 2006.
[3] Restrepo J.W, Notas del Curso Introducción a la Ciencia y Mecánica de losMateriales , EIA.Materiales , EIA.
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/crystallography3/index.php
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/dislocations/index.php
http://www.youtube.com/watch?v=lCCOdG9dILk&list=LPDirqXAt57a0&index=8&feature=plcp
http://www.youtube.com/watch?v=J_2FdkRqmCA&feature=related