cristalita -Crystallite
a) ferro maleável
b) aço elétrico sem revestimento
c) células solares feitas de silício multicristalino
d) superfície galvanizada de zinco
e) micrografia de metal gravado com ácido destacando os limites dos grãos
Um cristalito é um cristal pequeno ou mesmo microscópico que se forma, por exemplo, durante o resfriamento de muitos materiais. Cristalitos também são chamados de grãos .
A bacilita é um tipo de cristalita. É semelhante a um bastonete com longulitos paralelos.
Estrutura
A orientação dos cristalitos pode ser aleatória sem direção preferencial, denominada textura aleatória , ou direcionada, possivelmente devido às condições de crescimento e processamento. Enquanto a estrutura de um cristal ( único ) é altamente ordenada e sua rede é contínua e ininterrupta, materiais amorfos , como vidro e muitos polímeros, não são cristalinos e não exibem nenhuma estrutura, pois seus constituintes não estão dispostos de maneira ordenada. maneiras. Estruturas policristalinas e fases paracristalinas estão entre esses dois extremos. Materiais policristalinos, ou policristais, são sólidos compostos de muitos cristalitos de tamanho e orientação variados. A maioria dos materiais são policristalinos, feitos de um grande número de cristalitos mantidos juntos por finas camadas de sólido amorfo . A maioria dos sólidos inorgânicos são policristalinos, incluindo todos os metais comuns, muitas cerâmicas , rochas e gelo.
As áreas onde os cristalitos se encontram são conhecidas como contornos de grão .
Tamanho
O tamanho do cristalito em microestruturas monodispersas é geralmente aproximado de padrões de difração de raios-X e tamanho de grão por outras técnicas experimentais como microscopia eletrônica de transmissão. Objetos sólidos grandes o suficiente para serem vistos e manuseados raramente são compostos de um único cristal , exceto em alguns casos ( gemas , monocristais de silício para a indústria eletrônica, certos tipos de fibra , monocristais de uma superliga à base de níquel para motores turbojato e alguns cristais de gelo que podem exceder 0,5 metros de diâmetro). O tamanho do cristalito pode variar de alguns nanômetros a vários milímetros.
Efeitos nas propriedades físicas do material
A extensão em que um sólido é cristalino ( cristalinidade ) tem efeitos importantes em suas propriedades físicas. O enxofre , embora geralmente policristalino, também pode ocorrer em outras formas alotrópicas com propriedades completamente diferentes. Embora os cristalitos sejam referidos como grãos, os grãos em pó são diferentes, pois podem ser compostos de grãos policristalinos menores. Geralmente, os policristais não podem ser superaquecidos ; eles derreterão imediatamente assim que forem levados a uma temperatura alta o suficiente. Isso ocorre porque os contornos de grão são amorfos e servem como pontos de nucleação para a fase líquida . Por outro lado, se nenhum núcleo sólido estiver presente quando um líquido esfria, ele tende a ficar super-resfriado . Como isso é indesejável para materiais mecânicos, os projetistas de ligas geralmente tomam medidas contra isso (por refinamento de grão ).
As fraturas do material podem ser fraturas intergranulares ou transgranulares . Existe uma ambiguidade com os grãos de pó: um grão de pó pode ser feito de vários cristalitos. Assim, o "tamanho do grão" (do pó) encontrado pela granulometria a laser pode ser diferente do "tamanho do grão" (em vez disso, tamanho do cristalito) encontrado pela difração de raios-X (por exemplo, método de Scherrer), pela microscopia óptica sob luz polarizada ou por microscopia eletrônica de varredura (elétrons retroespalhados).
Se os cristalitos individuais forem orientados completamente ao acaso, um volume suficientemente grande de material policristalino será aproximadamente isotrópico . Essa propriedade ajuda a simplificar as suposições da mecânica do contínuo a serem aplicadas aos sólidos do mundo real. No entanto, a maioria dos materiais fabricados possui algum alinhamento com seus cristalitos, resultando em textura que deve ser levada em consideração para previsões precisas de seu comportamento e características. Quando os cristalitos são em sua maioria ordenados com apenas algumas orientações aleatórias, temos um cristal em mosaico . O crescimento de grão anormal , onde um pequeno número de cristalitos é significativamente maior do que o tamanho médio do cristalito, é comumente observado em diversos materiais policristalinos e resulta em propriedades mecânicas e ópticas que divergem de materiais semelhantes com uma distribuição de tamanho de cristalito monodisperso com um cristalito médio semelhante tamanho.
Rochas de granulação grossa são formadas muito lentamente, enquanto rochas de granulação fina são formadas rapidamente, em escalas de tempo geológicas. Se uma rocha se forma muito rapidamente, como a solidificação da lava ejetada de um vulcão , pode não haver nenhum cristal. É assim que a obsidiana se forma.
Limites de grãos
Os contornos de grão são interfaces onde cristais de diferentes orientações se encontram. Um contorno de grão é uma interface monofásica, com cristais em cada lado do contorno sendo idênticos, exceto na orientação. O termo "fronteira cristalina" é algumas vezes, embora raramente, usado. As áreas de contorno de grão contêm os átomos que foram perturbados de seus locais de rede originais, deslocamentos e impurezas que migraram para o contorno de grão de energia mais baixa.
Tratando um contorno de grão geometricamente como uma interface de um único cristal cortado em duas partes, uma das quais rotacionada, vemos que existem cinco variáveis necessárias para definir um contorno de grão. Os dois primeiros números vêm do vetor unitário que especifica um eixo de rotação. O terceiro número designa o ângulo de rotação do grão. Os dois números finais especificam o plano do contorno do grão (ou um vetor unitário normal a este plano).
Os contornos de grão interrompem o movimento das discordâncias através de um material. A propagação da discordância é impedida por causa do campo de tensão da região de defeito do limite de grão e a falta de planos de deslizamento e direções de deslizamento e alinhamento geral através dos limites. A redução do tamanho do grão é, portanto, uma maneira comum de melhorar a resistência , muitas vezes sem sacrificar a tenacidade , porque os grãos menores criam mais obstáculos por unidade de área do plano de deslizamento. Essa relação tamanho-força do cristalito é dada pela relação Hall-Petch . A alta energia interfacial e a ligação relativamente fraca nos contornos de grão os torna os locais preferidos para o início da corrosão e para a precipitação de novas fases do sólido.
A migração dos contornos de grão desempenha um papel importante em muitos dos mecanismos de fluência . A migração do contorno de grão ocorre quando uma tensão de cisalhamento atua no plano do contorno de grão e faz com que os grãos deslizem. Isso significa que os materiais de grão fino na verdade têm uma baixa resistência à fluência em relação aos grãos mais grossos, especialmente em altas temperaturas, porque grãos menores contêm mais átomos nos locais de contorno de grão. Os contornos de grão também causam deformação, pois são fontes e sumidouros de defeitos pontuais. Vazios em um material tendem a se acumular em um limite de grão e, se isso acontecer em uma extensão crítica, o material poderá fraturar .
Durante a migração do contorno de grão, a etapa determinante da taxa depende do ângulo entre dois grãos adjacentes. Em um limite de deslocamento de pequeno ângulo, a taxa de migração depende da difusão de vacância entre os deslocamentos. Em um limite de deslocamento de alto ângulo, isso depende do transporte de átomo por saltos de átomo único do encolhimento para os grãos em crescimento.
Os contornos de grão geralmente têm apenas alguns nanômetros de largura. Em materiais comuns, os cristalitos são grandes o suficiente para que os contornos de grão representem uma pequena fração do material. No entanto, tamanhos de grão muito pequenos são alcançáveis. Em sólidos nanocristalinos, os contornos de grão tornam-se uma fração de volume significativa do material, com efeitos profundos em propriedades como difusão e plasticidade . No limite de pequenos cristalitos, conforme a fração volumétrica dos contornos de grão se aproxima de 100%, o material deixa de ter qualquer caráter cristalino e, assim, torna-se um sólido amorfo .
Os limites de grão também estão presentes em domínios magnéticos em materiais magnéticos. Um disco rígido de computador, por exemplo, é feito de um material ferromagnético rígido que contém regiões de átomos cujos momentos magnéticos podem ser realinhados por uma cabeça indutiva. A magnetização varia de região para região, e o desalinhamento entre essas regiões forma limites que são fundamentais para o armazenamento de dados. A cabeça indutiva mede a orientação dos momentos magnéticos dessas regiões de domínio e lê “1” ou “0”. Esses bits são os dados que estão sendo lidos. O tamanho do grão é importante nesta tecnologia porque limita o número de bits que podem caber em um disco rígido. Quanto menor o tamanho dos grãos, mais dados podem ser armazenados.
Por causa dos perigos dos contornos de grão em certos materiais, como pás de turbina de superliga , grandes avanços tecnológicos foram feitos para minimizar tanto quanto possível o efeito dos contornos de grão nas pás. O resultado foi um processamento de solidificação direcional no qual os contornos de grão foram eliminados produzindo estruturas de grãos colunares alinhadas paralelamente ao eixo da pá, uma vez que esta é geralmente a direção da máxima tensão de tração sentida por uma pá durante sua rotação em um avião. As pás da turbina resultantes consistiam em um único grão, melhorando a confiabilidade.
Veja também
notas de rodapé
Referências
- Allen, Samuel e Thomas, Edwin. A Estrutura dos Materiais. Nova York: John Wiley & Sons, Inc. 1999.
- Jiles, David. Introdução ao Magnetismo e aos Materiais Magnéticos. Londres: Chapman & Hall/CRC, 1998.