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8/19/2019 Capitulo 3 - Lacunas e Impurezas Nos Solidos
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8/19/2019 Capitulo 3 - Lacunas e Impurezas Nos Solidos
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O mais simples dos defeitos pontuais é a
lacuna Posição atômica na qual falta um átomo;
Todo sólido cristalino contém lacunas;
Aumento da entropia.
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O número de lacunas em equilíbrio depende da
temperatura
N = nº total de sítios atômicos;
Q = energia para formação de uma lacuna; T = temperatura em ºK; k = constante de Bolztman
Número de lacunas aumenta exponencialmenteem função da temperatura.
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Átomo que se encontra comprimido em um
sítio intersticial
Ocorrem em quantidade significativamentemenor que as lacunas
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Presentes em todos metais – máximo de
99,9999% de pureza
Ligas – átomos de impurezasintencionalmente adicionados para conferircaracterísticas específicas
Adição de átomos – solução sólida
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Átomos do soluto são adicionados nosolvente sem formar uma nova estrutura
Defeitos pontuais devido a presença deimpurezas Substitucional
Intersticial
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Fator do tamanho atômico Pequena diferença entre os tamanhos atômicos
Estrutura Cristalina Ambos metais devem ter a mesma estrutura cristalina
Eletronegatividade Quanto maior a diferença maior a probabilidade de
formar um composto metálico Valência
Maior tendência de dissolver outro de maior valência
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Materiais metálicos com fator deempacotamento alto tem posições intersticiaispequenas
Diâmetro atômico da impureza intersticial tem queser pequeno
Quantidade inferior a 10%
Átomos de impurezas geralmente são maioresque os vazios Induzem deformações
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IMPUREZAS NAS CERÂMICAS
CERÂMICAS DEFINIÇÃO:Cerâmicas são compostos entre elementos metálicos enão-metálicos: eles são muito frequentemente óxidos,nitretos e carbetos. A larga faixa de materiais que caemdentro desta classificação inclui cerâmicas que são
compostas de minerais de argilas, cimento e vidro(CALLISTER, 2011);
IMPUREZAS: Átomos de impureza podem formar soluções sólidas em
materiais cerâmicos da mesma forma que em metais(CALLISTER, 2011);Essas soluções podem ser tanto substitucional quantointersticial (CALLISTER, 2011);
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IMPUREZAS NAS CERÂMICAS
Intersticial: o raio iônico da impureza deve ser relativamentepequeno em comparação com o ânion (CALLISTER, 2011);Substitucional: Este tipo de solução sólida em materiaiscerâmicos se dá quando há similaridade de carga entre oscátions e ânions da estrutura e as impurezas; ou seja, umaimpureza substitucional irá substituir um íon hospedeiro queseja mais semelhante a ela no aspecto elétrico (CALLISTER,2011)
EXEMPLO: no cloreto de sódio, íons de impureza Ca2+ e O2- ,eles provavelmente substituiriam os íons Na+ e Cl-,respectivamente.
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IMPUREZAS NAS CERÂMICAS
Solubilidade sólida apreciável de impureza substitucional: otamanho e a carga iônica da impureza devem ser muitopróximos daqueles dos íons hospedeiros;
Íon de impureza com carga diferente do hospedeiro: ocristal deve compensar para que a eletroneutralidade sejamantida. Um meio de realizar isto é pela formação dedefeitos de rede - vacâncias ou intersticiais de ambos ostipos de íons (CALLISTER, 2011)
EXEMPLO DE IMPUREZAS EM CERÂMICAS: Pequenasadições de íons de cobalto, cromo, cobre, manganês e ferrocausam grandes mudanças de cor em vidros.
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Figura 01 – Apresentações das formas
de impurezas.
IMPUREZAS NAS CERÂMICAS
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DEFEITO: É uma imperfeição ou um "erro" no arranjoperiódico regular dos átomos em um cristal.
Podem envolver uma irregularidade:•na posição dos átomos;•no tipo de átomos.
O tipo e o número de defeitos dependem do material,do meio ambiente, e das circunstâncias sob as quais ocristal é processado.
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DEFEITOS NOS POLÍMEROS
DEFINIÇÃO:Polímeros são macromoléculas formadas a partir de
unidades estruturais menores (monômeros - que é umpequeno segmento de uma cadeia, que consiste emmoléculas de carbono e hidrogênio, entre outras.);São normalmente combinações de elementos orgânicos,
como o Carbono, Hidrogênio além de outros materiais nãometálicos.
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DEFEITOS NOS POLÍMEROS
DEFEITOS:Os defeitos nos polímeros são diferentes dos metais, issodevido as macromoléculas, e à natureza do estadocristalino polimérico (BERTUCCIO et. al, 2012).Defeitos são detectados em lacunas, átomos intersticiais,
átomos/íons de impureza e grupos átomos/íons comointersticiais na região cristalina (BERTUCCIO et. al, 2012).Podem ser também: defeitos nas cadeias, cadeiaspendentes ou soltas, assim como discordâncias(BERTUCCIO et. al, 2012).
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DEFEITOS PLANOS OU INTERFACIAIS
Envolvem fronteiras (defeitos em duas dimensões) enormalmente separam regiões dos materiais dediferentes estruturas cristalinas ou orientaçõescristalográficas.
1.Superfície externa;2.Contorno de grão;3.Maclas ou Twins;
4.Defeitos interfaciais diversos (empilhamento).
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É um tipo de defeito pontual de umaestrutura de cristal;
Envolve um par composto por uma lacunacatiônica e uma lacuna aniônica; É formado pela remoção de um cátion e de
um ânion do interior do cristal, seguido pelacolocação de ambos os íons em umasuperfície externa;
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Representações esquemáticas de lacunascatiônicas e aniônicas e de um cátion intersticial
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É um tipo de defeito pontual de umaestrutura de cristal;
Envolve um par composto por uma lacunacatiônica e uma cátion intersticial; É formado quando um cátion deixa seu lugar
na estrutura, criando uma lacuna e ocupandoum espaço intersticial;
Também pode ser chamado de par de Frenkelou desordem de Frenkel;
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Diagrama esquemático mostrando defeitos deFrenkel e Schottky em sólidos iônicos
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DEFEITO DE FRENKEL
Sólidos iônicos com grande
diferença de tamanhoentre cátions e ânions; Exemplos: ZnS, AgCl, AgBr,
Agl;
DEFEITO DE SCHOTTKY
Compostos altamente
iônicos; Compostos altamenteorganizados;
Compostos onde existeuma pequena diferença de
tamanho entre cátions eânions;
Exemplos: NaCl, KCl, KBr,CsCl, AgCl.
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DEFEITO DE FRENKEL
Não afeta a densidade do
sólidos pois envolveapenas a migração de íonsdentro do cristal, entãopreservam tanto o volumequanto a massa;
DEFEITO DE SCHOTTKY
O número total de íons em
um cristal com esse defeitoé menor que o valor teóricode íons, então a densidadedeste sólido é menor que onormal;
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1.DEFEITOS NA SUPERFÍCIE EXTERNA
•Um dos contornos mais óbvios;•Na superfície os átomos não estão completamenteligados;•O estado de energia dos átomos na superfície é maior que
no interior do cristal;•Os materiais tendem a minimizar está energia• A energia superficial é expressa em unidades de energiapor unidade de área (erg/cm2 ou J/m2).
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2.CONTORNO DE GRÃO
•Corresponde à região que separa dois ou mais cristaisde orientação diferente;•No interior de cada grão todos os átomos estãoarranjados segundo um único modelo e única orientação,
caracterizada pela célula unitária.
Fonte: Costa E.M. – IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS – Notas de aula - PUC-RS.
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2.CONTORNO DE GRÃO
•Há um empacotamento ATÔMICO menoseficiente;•Há uma energia mais elevada;•Favorece a nucleação de novas fases(segregação);•Favorece a difusão;•O contorno de grão ancora o movimento das
discordâncias.
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CONTORNO DE PEQUENO ÂNGULO
•Ocorre quando a desorientação dos cristais épequena;•É formado pelo alinhamento de discordâncias
Ângulo dedesalinhamento
Ângulo de
Contorno de grão de altoângulo
Contorno de grão de baixoângulo
Fonte: Ciência e Engenharia de Materiais:uma introdução –
Callister, JR., William D., 1940.
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3.MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
•É um tipo especial de contorno de grão;•Os átomos de um lado do contorno são imagensespeculares dos átomos do outro lado do contorno;• A macla ocorre num plano definido e numa direçãoespecífica, dependendo da estrutura cristalina.
Fonte: Costa E.M. – IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS – Notas de aula - PUC-RS.
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3.MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS
O seu aparecimento está geralmente associadocom A PRESENÇA DE:•tensões térmicase mecânicas;•Impurezas;•Etc.
Fonte: Costa E.M. – IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS –
Notas de aula - PUC-RS.
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4.Defeitos interfaciais diversos (empilhamento).
Corresponde a interrupção de uma seqüência regularde empacotamento de planos em uma rede cristalina.
As falhas deempacotamento sãoencontradas em metaisCFC quando existe umainterrupção na
sequencia deempilhamento ABABAB.
Fonte: Costa E.M. – IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS –
Notas de aula - PUC-RS.
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É um defeito linear ou unidimensionalem torno do qual alguns átomos estãodesalinhado. (Callister, 2011)
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É uma porção extra de um plano de átomos, ou semi plano, cuja aresta termina no interior do cristal.(Callister, 2011).
Representação esquemática de um defeitolinear do tipo discordância em aresta.
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A discordância em aresta está centralizada em
torno de uma linha definida ao longo da
extremidade do semi plano adicional de átomos,conhecida como a linha da discordância.
A discordância em aresta pode ser representada
pelo símbolo ( ), que também indica a posiçãoda linha da discordância. Também pode ser
formada por semi plano adicional de átomos que
esteja incluído na fração inferior do cristal, sendo,
neste caso representada pelo símbolo ( ).
Dpto de Ciência dos Materiais e Metalurgia – PUC Rio – Disponível: http://www.dcmm.puc-
rio.br/cursos/cemat_mv/Aula9.pdf
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Considerada como a consequência da tensão decisalhamento que aplicada para produzir a
distorção. (Callister, William D,.1940).
Representação esquemática de um defeito
linear do tipo discordância em espiral.
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A distorção atômica associada com umadiscordância em espiral também é linear ao longo da
linha da discordância e está associada com a
trajetória helicoidal que é traçada em torno da sua
linha pelos planos atômicos;
O símbolo é usado para designar este tipo de
discordância;
Na discordância em espiral, a linha da discordância,
a direção do cisalhamento e o vetor de Burgers são
paralelosDpto de Ciência dos Materiais e Metalurgia – PUC Rio – Disponível: http://www.dcmm.puc-rio.br/cursos/cemat_mv/Aula9.pdf
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Formação de discordância por cisalhamento: a linha da
discordância D se expande pelo cristal até que o
deslizamento se complete.
Dpto de Ciência dos Materiais e Metalurgia – PUC Rio – Disponível: http://www.dcmm.puc-rio.br/cursos/cemat_mv/Aula9.pdf
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As discordâncias encontradas nos materiais
cristalinos provavelmente não saem puramente
arestas ou puramente espiral, mas exibirão
componentes de ambos os tipos, denominadasmistas. (Callister, William D,.1940).
Discordância mista (caráter simultâneo de aresta
e espiral).
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Efeito de deformação da rede cristalina
provocada por discordância mista.
Dpto de Ciência dos Materiais e Metalurgia – PUC Rio – Disponível: http://www.dcmm.puc-
rio.br/cursos/cemat_mv/Aula9.pdf
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A magnitude e a direção da distorção da redeassociada a uma discordância são expressadasem termos de um vetor de Burgers. (Callister, 2011).
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Para materiais metálicos, o vetor de Burgers iráapontar para uma direção cristalograficamentecompacta e terá uma magnitude igual aoespaçamento interatômico;
Determinação dovetor de Burgers
em cristalperfeito (a) e emcristal na presençade discordância(b).
Dpto de Ciência dos Materiais e Metalurgia – PUC Rio – Disponível: http://www.dcmm.puc-
rio.br/cursos/cemat_mv/Aula9.pdf
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Na discordância em aresta, a linha dadiscordância e o vetor de Burgers são
perpendiculares.
Dpto de Ciência dos Materiais e Metalurgia – PUC Rio – Disponível: http://www.dcmm.puc-
rio.br/cursos/cemat_mv/Aula9.pdf
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O tamanho do grão d
e metais policristalinos é importante, já que a superfície dos contornosentre os grãos tem um efeito importante em muitas propriedades dosmetais, especialmente na resistência mecânica.
Em temperaturas baixas (inferiores a cerca de metade da temperaturaabsoluta de fusão), a região do contorno provoca um aumento daresistência mecânica dos metais, porque sob tensão dificulta omovimento das discordâncias.
Em temperaturas elevadas pode ocorrer o escorregamento ao longodos contornos e estes se tornam regiões vulneráveis nos metaispolicristalinos.
DETERMINAÇÃO DO TAMANDO DO GRÃO
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O tamanho do grmétodo de interseção:
Uma série de segmentos de linhas retos (todos com o mesmocomprimento) são desenhados sobre uma microfotografia.
O comprimento da linha é dividido pelo número médio de
interseções de grãos por linha.
O diâmetro médio do grão é tomado como sendo esseresultado dividido pela ampliação da fotomicrografia.
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Na tabela abaixo, indicam-se os números de tamanho de grão, assim como onúmero de grãos por pol², numa ampliação de 100X, e o número de grãos pormm², com uma ampliação de 1X.
Em geral, um material pode ser classificado como grosseiro quando n < 3, degrão médio, 4 < n < 6; de grão refinado, 7 < n < 9, e com grão ultrafino, n > 10
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Na figura abaixo, mostram-se exemplos do tamanho de grão deamostras de chapa de aço de baixo teor de carbono:
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Exercício
Fez-se a determinação do tamanho de grão ASTM, em uma fotomicrografia de ummetal com uma ampliação de 100X. Se existirem 64 grãos por polegada quadrada,qual é o número ASTM de tamanho de grão do metal?
N = número de grãos por polegada quadrada em 100X
n = número de tamanho de grão ASTM
64 grãos/pol² = 2n-1
log 64 = (n – 1)(log 2)
1,806 = (n – 1)(0,301)
n = 7
N = 2n-1
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Exercício
Se existem 60 grãos por polegada quadrada, em uma fotomicrografia de um metalobtida com uma ampliação de 200X, qual é o número ASTM de tamanho de grão dometal?
Se com uma ampliação de 200X existem 60 grãos por polegada quadrada,com uma ampliação de 100X, teremos:
log 240 = (n – 1)(log 2)
2,380 = (n – 1)(0,301)n = 8,91
A razão entre as ampliações tem de ser elevada ao quadrado, porqueestamos interessados no número de grãos por polegada quadrada.
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Para uma liga que contém dois átomos hipotéticosidentificados como 1 e 2, a concentração do átomo1 em %p é dada por:
Onde: C1→ Concentração do átomo 1 m1 + m2→massa dos elementos 1 e 2
m1→massa dos elementos 1 e 2
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A base para os cálculos é o número de molsde um elemento em relação ao número total
de mols de todos os elementos de uma liga, édado por:
Onde: m1’→massa (em gramas)
A1 → peso atômico
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A Concentração para o elemento 1 em termosda porcentagem atômica em uma liga
contendo os átomos dos elementos 1 e 2, édefinida por:
Onde: nm1→ número de mols
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Para converter a % em peso em % atômica,em elementos hipotéticos 1 e 2, as
expressões de conversões são:
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Uma vez que estamos considerando apenas
dois elemementos, os cálculos envolvendo asequações anteriores podem ser simplificadosquando se observa que:
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As concentrações em termos dessa baseserão representadas com a utilização ode“duas linhas” (isto é C”1 e C
”2), e as equações
relevantes são as seguintes:
Onde: massa específica (ρ) → g/cm³
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A massa específica e o peso atômico de umaliga binária tendo sido dada a composição em
termos ou da % em peso ou da % atômica:
Onde: massa específica→ (ρméd
)
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A massa específica e o peso atômico de umaliga binária tendo sido dada a composição emtermos ou da % em peso ou da % atômica:
Onde: Peso atômico→ (Améd
)
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Determine a composição, em porcentagematômica, de uma liga com 97%p alumínio e
3%p cobre. Solução:
▪ Se representarmos as respectivas composições emporcentagem em peso como Cal= 97 e Ccu= 3, a
substituição nas Equações:100
1221
21
'1
AC AC
AC C 100
2'21'1
1'1
1
AC AC
AC C
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aC
mol g mol g
mol g C
AC AC AC C
Al
Al
Al CuCu Al
Cu Al Al
%7,98
100)/98,26)(3()/55,63)(97(
)/55,63)(97(
100
'
'
'
aC
mol g mol g
mol g C
AC AC
AC C
Al
Al
Cu Al Al Cu
Al CuCu
%30,1
100)/55,63)(97()/98,26)(3(
)/98,26)(3(
100
'
'
'
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A Microscopia óptica, também denominada“microscopia de luz”, consiste em uma técnica deobservação de objetos e sistemas com ampliaçõesde algumas dezenas até milhares de vezes dasdimensões físicas, tipicamente 10X a 1500X.
O microscópio óptico mais simples consiste de duaslentes montadas em uma estrutura, com umsuporte para anteparo do material a ser observado.
O equipamento conta ainda com um sistema deiluminação, filtros, colimadores, e outras partes, nosentido de otimizar a qualidade da imagem obtida.
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Existem diversas variações de modelos,com imagem por luz refletida(materiais opacos), luz transmitida
(materiais translúcidos), imagem porfluorescência, dentre outras.
A ampliação final de um microscópio
óptico será o resultado do produtoobtido pela ampliação da lente ocularpela objetiva, situando-se na faixa de~40X a ~1000X.
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A microscopia óptica utiliza aspropriedades ondulatórias da radiaçãoeletromagnética, principalmente na
faixa de energia da luz visível. Alguns fenômenos de interação da
radiação com a matéria são
importantes, tais como: Absorção; Refração; Difração.
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Na microscopia óptica, para materiaisopacos à luz visível, apenas suasuperfície é submetida à observação,sendo necessário o uso no modo dereflexão.
Para que se possa fazer uma análiseestrutural no material, é preciso realizaro processo de preparação das amostraspreviamente. As etapas do processo depreparação são formadas pelaseparação da amostra, embutimento,lixamento, polimento e ataque
uímico.
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SOUZA, V.C.G; SAMPAIO H.S.; e TAVARES, M.M.L - 2002
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• Utiliza feixes de elétrons ao invés deradiação luminosa (microscópioóptico);
• Existem três tipos: – De transmissão (MET): usado para a
observação de cortes ultrafinos;
– De varredura (ou MEV): capaz de produzirimagens de alta ampliação para aobservação de superfícies;
– De varredura por sonda (MVS): paravisualização de átomos.
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
FONTE: CONTEUDO, 2014.
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• A imagem é formada por um feixe deelétrons que passa através da amostra;
• Os contrastes na imagem são obtidos pelas
diferenças na disperção ou difração do feixeproduzidas entre os vários elementos damicroestrutura ou defeitos;
• A amostra deve ser preparada na forma deuma folha muito fina, o que assegura a transmissão através da amostra de uma fraçãoaprecíavel do feixe incidente.
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 201
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O feixe transmitido éprojetado sobre uma telafluorescente ou um filme
fotográfico; Ampliações de até
1.000.000 de vezes; Empregada no estudo das
discordâncias.
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.FONTE: CONTEUDO, 2014.
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• É uma versão mais recente;• A superfície da amostra a ser examinada é
varrida com um feixe de elétrons e o feixe deelétrons refletido (retroespalhado) é coletado e,então exibido na mesma taxa de varredura emum tubo de raios catódicos (semelhante a telade uma TV);
• A superfície da amostra pode ou não estar polida
e ter sido atacada quimicamente, porém deveser condutora de eletricidade; um revestimentometálico superficial muito fino deve ser aplicadosobre materiais não condutores;
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
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FONTE: DEDAVID et. al , 2007.
8/19/2019 Capitulo 3 - Lacunas e Impurezas Nos Solidos
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FONTE: DEDAVID et. al , 2007.
Microscopia Eletrônica de
Varredura (MEV)
FONTE: CONTEUDO, 2014.
E d t d MEV
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FONTE: DEDAVID et. al , 2007.
Esquema de componentes do MEV
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• Ampliações variam de 10 a 50.000 vezes;• São também possíveis profundidades de campo
muito grandes;• Permitem análises qualitativas e semi-
quantitativas da composição elementar emáreas muito localizadas da superfície.
• O MEV é um aparelho que pode fornecerrapidamente informações sobre a morfologia e
identificação de elementos químicos de umaamostra sólida. Sua utilização é comum embiologia, odontologia, farmácia, engenharia,química, metalurgia, física, medicina e geologia.FONTE: DEDAVID et. al , 2007.
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• Existem diversas variedades;• Difere dos opticos e eletrônicos pelo fato de que
nem a luz nem a elétrons são usados para formaruma imagem;
• O microscópio gera um mapa topográfico, umuma escala atômica, que é uma representaçãodos detalhes e das características da superfícieda amostra que está sendo examinada.
• Emprega uma sonda minuscula de extremidademuito fina que é colocada muito próxima(distância em nanometros) da superfície daamostra.
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
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• Durante a varredura , a sonda sofre deflexõesperpendiculares a esse plano, em resposta ainterrações eletrônicas ou de outra natureza,entre a sonda e a superfície da amostra;
• Os movimentos da sonda no plano da superfíciee para fora do plano são controlados porcomponentes cerâmicos piezelétricos;
• Adicionalmente, esses movimentos da sonda
são monitorados eletronicamente e transferidose armazenados em um computador, o que geraentao a imagem tridimensional da superfpície.
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
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• Análise na escala nanométrica;• Ampliações de até 109 vezes;• São geradas imagens
tridimensionais ampliadas;• Alguns MVS podem ser
operados em diversosambientes: vácuo, ar, líquidos;
• Permitem o exame dasuperfície dos materiais nosníveis atômicos e molecular;
• Alavancou a entrada na era dosnanomateriais.
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012
FONTE: CONTEUDO, 2014.
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• CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. Ciência eengenharia de materiais: uma introdução. 8. ed. Rio de Janeiro,RJ: LTC, 2012. xxi, 817 p.
• DEDAVID, Berenice Anina; GOMES, Carmem Isse; MACHADO
Giovanna. Microscopia Eletrônica De Varredura - Aplicações EPreparação De Amostras: Materiais Poliméricos, Metálicos ESemicondutores. Pontifícia Universidade Católica do Rio Grandedo Sul. EDIPUCRS. Porto Alegre, 2007.
• CONTEÚDO aberto. In: Wikipédia: a enciclopédia livre.
Microscópio eletrônico. Disponível em:. Acesso em: 01 de maio de2014
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REFERÊCIAS
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estrutura>. Acesso em março de 2014.JEDYN, Felipe. Materiais Não Metálicos. Aula01: Revisão de Estrutura Atômica e LigaçãoInteratômica e Introdução aos MateriaisCerâmicos. Curitiba. Disponível em:
. Acesso em março de2014.
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Referências
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Ciência dos Materiais Multimídia.http://www.cienciadosmateriais.org
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