DEFEITOS EM CRISTAIS

1 - Cristais reais sempre possuem defeitos. A natureza favorece a presença espontânea deles, pois isto pode reduzir a energia livre da estrutura. Defeitos podem ainda ser introduzidos por fatores externos tais quais tensões, bombardeamento iônico, contaminação etc.

2 - Um defeito na estrutura cristalina pode ser compreendido como a ruptura de sua regularidade. Os defeitos podem ser classificados como puntiformes, lineares e de superfície.

3 - Os defeitos na rede cristalina são responsáveis por inúmeros processos que são fundamentais para a utilização de certos materiais em engenharia. Por isso, processos que introduzem defeitos nos cristais são desenvolvidos.

DEFEITOS PUNTIFORMES


1 - A quebra da regularidade ocorre em um ponto da rede cristalina. Existem vários tipos de defeitos puntiformes.

2 - VACÂNCIAS: são posições da rede que deveriam estar ocupadas por átomos, mas estão vazias. A presença de lacunas altera a energia livre da rede. Esta energia pode ser minimizada por uma certa concentração de vacâncias na rede que depende da temperatura. A concentração de equilíbrio de vacâncias é dada por C = Co EXP(-Q / kT), em que Q é a energia molar de ativação das vacâncias, k é a constante de Boltzmann e T a temperatura absoluta. Superfícies e contornos de grão são nascedouros e sumidouros de vacâncias. A existência de uma vacância promove o deslocamento dos átomos circunvizinhos de suas posições regulares. Isto induz tensões na rede.

Vacância em uma rede Cúbica Simples



3 - As vacâncias podem mudar de posição, caso haja suficiente agitação térmica entre os átomos. Mudança de posição de vacâncias é equivalente à mudança de posição dos átomos. Esta é a base do processo de difusão atômica em redes cristalinas.

4 - INTERSTÍCIOS: são posições da rede cristalina que regularmente estão vazias, mas são ocupadas por átomos. A introdução de um átomo entre as posições regulares da rede produz o deslocamento dos átomos regulares para abrir espaço para o átomo intersticial. Isto resulta em tensões na rede, cuja intensidade depende do tamanho do átomo intersticial.

Interstício em uma Rede Cúbica Simples



5 - Átomos intersticiais também podem se difundir mudando de posição intersticial. 

6 - IMPUREZAS: Trata-se da presença na rede de um átomo não pertencente à rede regular. As impurezas podem ocupar posições regulares da rede (impureza substitucional), ou seja, substituir um átomo regular, ou pode ocupar uma posição intersticial da rede (impureza intersticial).



7 - O tipo de impureza depende de seu tamanho. Impurezas tão grandes ou maiores de que os átomos regulares tendem a ser substitucionais. Impurezas menores de que os átomos regulares tendem a ser intersticiais. Isto ocorre para minimizar a deformação da rede provocada pela colocação de um átomo de tamanho diferente na rede.

8 - Impurezas sempre estão presentes em materiais como forma de minimizar a energia livre pelo aumento de sua entropia. Entretanto, em muitas ocasiões, elas são propositalmente introduzidas para modificar controladamente as propriedades dos materiais. Semicondutores extrínsecos e materiais endurecidos por solução sólida são exemplos de materiais nos quais impurezas foram introduzidas.


DEFEITOS LINEARES

1 - São imperfeições da rede que ocorrem ao longo de uma linha. As discordâncias são defeitos lineares.

2 - Existem três tipos de discordâncias: em cunha, em hélice e mista (mistura de discordância em hélice e em cunha).

3 - A discordância em cunha pode ser compreendida como um semiplano de átomos introduzido entre planos cristalinos regulares.

Discordância em Cunha ou Aresta


1 - As discordâncias deformam localmente a rede, criando tensões locais compressivas e trativas.

2 - As discordâncias ocorrem naturalmente na rede, como forma de reduzir a energia livre, ou são criadas por tensões externas. Em materiais lentamente resfriados a densidade de discordâncias é da ordem de um milhão de cm de linha de discordância por cm3.

3 - As discordâncias estão envolvidas na deformação plástica dos cristais. Tensões cisalhantes causam seu movimento. A discordância se move até a superfície do material dando origem a um degrau. O material sofre uma deformação não recuperável. Clique aqui para ver a animação do movimento de uma discordância em cunha causando a formação de um degrau de deformação.

4 - Durante o processo de deformação, a densidade de discordâncias pode chegar a um trilhão de cm/cm3 através de mecanismos de multiplicação de discordâncias.

5 - O movimento de discordâncias ocorrem em planos compactos e, nestes planos, nas direções compactas.



DEFEITOS SUPERFICIAIS

1 - São imperfeições que ocorrem ao longo de uma superfície. Estes defeitos possuem alta energia e são responsáveis alguns fenômenos.

2 - SUPERFÍCIE EXTERNA: demarca os limites do cristal. Nesta região existem muitas ligações desfeitas e átomos deslocados de suas posições regulares. Isto eleva a energia do cristal. A alta energia superficial é uma barreira para o processo de crescimento de cristal no início da solidificação e é a causa da sinterização.

3 - CONTORNOS DE GRÃO: São as interfaces entre grãos. Nestes locais, têm-se o desalinhamento das redes dos grãos adjacentes. Há maior concentração de defeitos e ligações desfeitas. A energia dos contornos de grão depende do nível de desalinhamento das redes dos grãos adjacentes. Os contornos de grão atuam como barreiras ao movimento de discordâncias, sítios para nucleação de fases e caminhos de propagação de trincas.

4 - MACLAS E CONTORNOS DE MACLAS: São distorções da rede cristalina causadas por pequenos deslocamentos dos átomos de suas posições regulares, devido a tensões ou tratamento térmico, fazendo com que a parte deformada da rede pareça ser uma imagem da parte não deformada refletida em espelho. A formação de maclas é também um mecanismo de deformação plástica. A interface entre as porções deformada e não deformada é denominada de contorno de macla.




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