Aula 06

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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.
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Fator de Empacotamento para um metal de raio r
No de átomos por célula

• Cúbico simples
• FEA 4/3pr3 como a2r
  FEA0,52 1
• a3
• Cúbico de Corpo Centrado
• FEA 4/3pr3 como a4r/v3
  FEA0,68 2
• Cúbico de Face Centrada
• FEA 4/3pr3 como a2r/v2
  FEA0,74 4

a3
a3
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Cálculo da densidade teórica de um sólido metálico

• ? nPA
• VCNA
• Onde
• n número de átomos por célula unitária
• PA peso atômico
• VC volume da célula unitária
• NA número de Avogrado (6,02x1023)

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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.

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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.
• ? nPA
• VCNA

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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.

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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)

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• 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.

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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

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Nem sempre é Maléfico
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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 70GPa
• ferro comum r 270MPa.

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Defeitos Pontuais

• Vacâncias ou vazios
• Átomos Intersticiais
• Schottky
• Frenkel

Ocorrem em sólidos iônicos
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Defeitos Pontuais visão geral
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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).

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Defeito Pontual vacâncias ou vazios

• O número de vacâncias aumenta exponencialmente
  com a temperatura
• Nv N exp (-Qv/KT) lacunas/m3
• Nv número de vacâncias
• N número total de sítios por unidade de volume
• Qv energia requerida para formação de vacâncias
• K constante de Boltzman 1,38x1023J/at.K ou
  8,62x10-5 eV/ at.K

N NA? PA Onde NAno avogrado ?
densidade e PA peso atômico
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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/mol
• ? 8,4 g/cm3 (T1000oC)
• NAVOG 6,02x1023 atomos/mol

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Defeito Intersticial
Átomo intersticial grande Gera maior distorção na
rede
Átomo intersticial pequeno
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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

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Defeitos Pontuais
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Defeitos Pontuais
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FRENKEL

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

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SCHOTTKY

• Presentes em compostos que tem que manter o
  balanço de cargas
• Envolve a falta de um ânion e/ou um cátion

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Superfície metálica microscópia eletrônica de
tunelamento ou microscopia de força atômica
Em níveis de monocamadas nem sempre o elemento de
liga provoca Aparecimento de de defeitos.
Superfície (111) do ouro (estrutura CFC)
adição uma monocamada de cobre
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A ADIÇÃO DE IMPUREZAS PODE FORMAR

• Soluções sólidas átomos lt limite de
  solubilidade
• Segunda fase átomos gt limite de
  solubilidade
• A solubilidade depende
• Temperatura
• Tipo de impureza
• Concentração da impureza

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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.

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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

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Terminologia

• Elemento de liga soluto (lt quantidade)
• (ou impureza)
• Matriz solvente(gtquantidade)
• (ou hospedeiro)

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Especificação da Composição

• Composição de uma liga em termos de seus
  elementos constituintes
• porcentagem em peso (ou massa)(p)
• porcentagem atômica (no átomos) (a)

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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/mol
• Nv 6,02x1023 atomos/mol