Capitulo 3 - Lacunas e Impurezas Nos Solidos

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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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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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.



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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.




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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).




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Na discordância em aresta, a linha dadiscordância e o vetor de Burgers são

perpendiculares.




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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;



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FONTE: DEDAVID et. al , 2007.


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Microscopia Eletrônica de

Varredura (MEV)


E d t d MEV


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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.



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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.



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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



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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

BERTUCCIO, Antonio; MICHELLINE, Isadora;ROLLA, Lucas; ZAIDAN, Ludmila. PolímerosEstrutura. Trabalho Acadêmico. 2012.Disponível em:<http://prezi.com/l0wwangplykm/polímeros-

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

Shackelford, James F. Introdução à ciência dos materiais paraengenheiros / James F. Schackelford; tradução Daniel Vieira; revisãotécnica Nilson C. Cruz. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008.Smith, Willian F.; Hashemi, Javad. Fundamentos de Engenharia eCiência dos Materiais. Porto Alegre; AMGH Editora, 2012.

Ciência dos Materiais Multimídia.http://www.cienciadosmateriais.org

http://www.cienciadosmateriais.org/http://www.cienciadosmateriais.org/


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http://projetocienciando.blogspot.com.br/2012/12/microscopia-optica-aplicada-ao-estudo.html

http://www.biomaterial.com.br/capitulo7part01.

pdf http://www.angelfire.com/crazy3/qfl2308/1_mult

ipart_xF8FF_6_Microscopia_otica.pdf SOUZA, V.C.G; SAMPAIO H.S.; e TAVARES, M.M.L. - Estudo por

microscopia óptica e lupa das características mineralógicas emicroestruturais do clínquer aplicado ao processo de moagem e qualidade do

cimento - Rev. Esc. Minas vol.55 no.2 Ouro Preto - MG - 2002.
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Capitulo 3 - Lacunas e Impurezas Nos Solidos

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