Energia de Ligação e Defeitos em Materiais Sólidos

As propriedades relacionadas ao gráfico da energia de ligação são: módulo de elasticidade, coeficiente de expansão térmica, ponto de fusão, calor latente e resistência mecânica. Quanto mais profundo o poço de energia, maior a temperatura de fusão do material. Quanto mais estreito o mínimo de potencial, menor é o coeficiente de expansão térmica do material, que é resultado da curva do poço de energia potencial ser assimétrica. O módulo de elasticidade é proporcional à inclinação da curva força vs. separação interatômica no ponto de equilíbrio (F_R = 0), sendo que quanto mais rígido o material, mais íngreme é a inclinação.

• Módulo de Elasticidade: tangente no gráfico num determinado ponto.
• Coeficiente de expansão térmica: quanto maior o "vale" no gráfico, menor este coeficiente e maior o ponto de fusão.
• Resistência mecânica: quanto maior a inclinação da curva no ponto de equilíbrio, maior o módulo de elasticidade e maior a resistência mecânica.

Defeito de Frenkel: defeito pontual que ocorre em sólidos iônicos, caracterizado pelo deslocamento de um íon de sua posição original para um interstício.

Defeito substitucional: defeito pontual que ocorre quando um átomo de matriz é substituído por um átomo diferente.

Maclas ou twins: defeito de superfície no qual os átomos de um lado estão espelhados em relação aos átomos do outro lado.

Defeito intersticial: defeito pontual que ocorre quando um átomo diferente ocupa um lugar nos interstícios do reticulado.

Discordância em aresta: defeito linear que pode ser descrito como um semiplano de átomos extra inserido no material.

Contorno de grão: defeito superficial que representa a fronteira entre dois grãos; cada cristal tem uma orientação diferente em cada lado desse contorno.

Tipos de Defeitos

Vibrações na rede: quando a temperatura é maior que o zero absoluto (0K), a vibração dos átomos na rede provoca distorções no cristal perfeito.

Defeitos pontuais, com 1 ou 2 posições atômicas (0D):

• Vacâncias ou lacunas ou vazios: é a falta de um átomo na rede cristalina; o número de vacâncias varia com a temperatura: n_v = n exp (-Q/RT) (onde n_v: número de vacâncias/cm³; n: número de pontos na rede/cm³; Q: energia necessária para produzir a vacância (J/mol); R: constante dos gases (8,31 J/molK); T: temperatura em K).
• Átomos Intersticiais: quando um átomo é abrigado por uma estrutura cristalina, principalmente se esta tiver um baixo fator de empacotamento.
• Átomos Substitucionais: quando um átomo é deslocado de sua posição original por outro e, conforme o tamanho, pode aproximar ou separar os átomos da rede.
• Schottky (Sólido iônico): quando ocorre lacuna de um par de íons; ocorre para compostos que devem manter o equilíbrio de cargas opostas.
• Frenkel (Sólido iônico): quando um íon desloca-se de sua posição no reticulado (formando uma lacuna) para uma posição intersticial.
• Defeito Intrínseco: defeitos pontuais que envolvem apenas as espécies químicas constituintes do material; criado apenas pelo efeito da temperatura (aumenta com o aumento da temperatura).
• Defeito Extrínseco: defeitos que envolvem espécies químicas diferentes dos constituintes do material (impurezas); criado por presença de impurezas, adições intencionais (dopantes), mudança de valência e mudança na pressão do oxigênio externo; ex: vacâncias e defeitos intersticiais.

Defeitos lineares (em linha) - discordâncias (1D):

Defeitos ao redor do qual alguns átomos encontram-se desalinhados; associados à cristalização e à deformação plástica (deformação, falha, rompimento dos materiais); geram o vetor de Burgers.

• Vetor de Burgers: fornece a magnitude e a direção de distorção da rede; corresponde à distância de deslocamento dos átomos ao redor da discordância.
• Discordância em aresta ou cunha: talhamento de um cristal perfeito, deslocando a rede de um espaçamento atômico; o vetor de Burgers é perpendicular à discordância em cunha.
• Discordância em espiral ou hélice: corte parcial de um cristal perfeito, deslocando a rede de um espaçamento atômico; o vetor de Burgers é paralelo à direção da linha de discordância.
• Discordância mista: ocorre quando há os dois tipos de discordância.

Defeitos planos ou interfaciais (2D):

Envolvem fronteiras e normalmente separam regiões dos materiais de diferentes estruturas cristalinas ou orientações cristalográficas.

• Superfície externa: na superfície os átomos não estão completamente ligados; o estado energético dos átomos na superfície é maior que no interior do cristal.
• Contorno de grão: corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientação diferente; um cristal = um grão; empacotamento atômico menos eficiente; energia mais elevada; favorece a nucleação de novas fases (segregação).
• Discordância e Contorno de Grão: a passagem de uma discordância através do contorno de grão requer energia; o contorno de grão ancora o movimento das discordâncias, pois constitui um obstáculo para a passagem da mesma; quanto menor o tamanho do grão, maior a resistência do material.
• Formação dos grãos: forma controlada pela presença dos grãos circunvizinhos.
• Maclas, Twins ou Cristais Gêmeos: é um tipo especial de contorno de grão; os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado; aparecimento associado a tensões térmicas (recozimento) (CFC), tensões mecânicas de cisalhamento (CCC e HC), impurezas, etc.
• Defeitos de empilhamento ou empacotamento: corresponde à interrupção de uma sequência regular de empacotamento de planos em uma rede cristalina.
• Tamanho de grão: influi nas propriedades dos materiais e é controlado pela composição e pela taxa de cristalização ou solidificação; quanto menor o tamanho de grão, maior a resistência do metal; tamanho de grão de 1 (grande) a 10 (pequeno); N = 2^n-1, onde N = número médio de grãos por polegada quadrada e n = tamanho de grão; quanto maior o número, menor o tamanho de grão da amostra.

Defeitos volumétricos (3D):

Defeitos introduzidos no processamento do material e/ou na fabricação do componente.

• Inclusões: impurezas estranhas.
• Precipitados: são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz.
• Fases: forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado).
• Porosidade: origina-se devido à presença ou formação de gases.
• Estruturas amorfas: algumas estruturas sem ordenamento a longo alcance são consideradas como defeitos volumétricos, como é o caso do vidro e dos polímeros.