Crystallography and the Electron Microscope

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Do curso por University of California, Davis

Materials Science: 10 Things Every Engineer Should Know

939 classificações

University of California, Davis

Materials Science: 10 Things Every Engineer Should Know

939 classificações

We explore “10 things” that range from the menu of materials available to engineers in their profession to the many mechanical and electrical properties of materials important to their use in various engineering fields. We also discuss the principles behind the manufacturing of those materials. By the end of the course, you will be able to: * Recognize the important aspects of the materials used in modern engineering applications, * Explain the underlying principle of materials science: “structure leads to properties,” * Identify the role of thermally activated processes in many of these important “things” – as illustrated by the Arrhenius relationship. * Relate each of these topics to issues that have arisen (or potentially could arise) in your life and work. If you would like to explore the topic in more depth you may purchase Dr. Shackelford's Textbook: J.F. Shackelford, Introduction to Materials Science for Engineers, Eighth Edition, Pearson Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, 2015

Na lição

Course Overview / The Menu of Materials / Point Defects Explain Solid State Diffusion

Welcome to week 1! In lesson one, you will learn to recognize the six categories of engineering materials through examples from everyday life, and we’ll discuss how the structure of those materials leads to their properties. Lesson two explores how point defects explain solid state diffusion. We will illustrate crystallography – the atomic-scale arrangement of atoms that we can see with the electron microscope. We will also describe the Arrhenius Relationship, and apply it to the number of vacancies in a crystal. We’ll finish by discussing how point defects facilitate solid state diffusion, and applying the Arrhenius Relationship to solid state diffusion.

Crystallography and the Electron Microscope6:39

Introduction to the Arrhenius Relationship5:33

The Arrhenius Relationship Applied to the Number of Vacancies in a Crystal4:13

Point Defects and Solid State Diffusion3:15

The Arrhenius Relationship Applied to Solid State Diffusion2:38

Conheça os instrutores

James Shackelford
Distinguished Professor Emeritus
Department of Chemical Engineering and Materials Science

[MÚSICA] Estamos aqui em Kemper Hall na U.C.

Campus Davis.

Aqui no coração do Campus parte do complexo de engenharia

Kemper Hall recebeu o nome de nosso segundo reitor de engenharia, John Dustin Kemper.

É também a casa de vários departamentos acadêmicos, incluindo Ciência dos Materiais

e Programa de Engenharia.

E estamos hoje aqui no laboratório de microscopia eletrônica especificamente

Iremos aprender sobre o microscópio eletrônico para podermos entender

a natureza dos defeitos pontuais e como isso leva ao estado de difusão sólida.

[MÚSICA]

O microscópio eletrônico atrás de mim é muito similar a um microscópio óptico tradicional

que talvez conheçamos das aulas de biologia do ensino médio.

No caso, o microscópio óptico é simplesmente um conjunto de lentes de vidro que refrata

luz de maneira sistemática para fornecer uma imagem aumentada de uma amostra biológica.

No caso de observar materiais de engenharia em escala atômica,

usamos um microscópio eletrônico com precisamente a mesma

ótica, exceto que temos lentes magnéticas.

Lentes eletromagnéticas que exercem a mesma função das lentes de vidro no

microscópio óptico.

E visto que elétrons em alta voltagem, como eles estão no microscópio eletrônico,

tem comprimento de onda muito curto, somos capazes de ver escalas de resolução muito mais altas,

de ir até a escala atômica, como veremos, e

identificar arranjos atômicos individuais e até mesmo defeitos individuais.

O título deste segmento é defeitos pontuais explicam difusão sólida.

Mas antes que expliquemos o que é difusão e o que são defeitos pontuais

devemos falar um pouco sobre cristalografia.

E simplesmente reconhecer o fato de que muitos dos materiais comumente usados em

engenharia são de natureza cristalina o que significa simplesmente

que em escala atômica, eles tem uma estrutura regular e repetitiva.

Por exemplo, este modelo aqui

é chamado estrutura cristalina cúbica simples.

Nele, este arranjo cúbico de átomos representa

o inteiro material.

Esta bolinha aqui representa o centro de um átomo em cada vértice

do cristal.

Agora, falando na prática, esta é uma estrutura teórica.

Não é encontrada na natureza para metais comuns.

Simplesmente é muito ineficiente no empacotamento, a ligação entre

os átomos na estrutura da qual falamos no primeiro segmento..

É melhor um empacotamento de maior densidade, mais eficiente, então

um exemplo melhor seria este arranjo cúbico no qual temos

um átomo em cada vértice da estrutura cúbica,

as com átomos adicionais no centro de cada uma das faces.

Então, apropriadamente, chamamos isto de estrutura cristalina cúbica de face centrada.

Esta é encontrada em muitas ligas

metálicas comuns baseadas em alumínio, cobre, níquel e assim por diante.

Nós com certeza teremos uma série de vídeos curtos

na qual falaremos sobre o exemplo específico do alumínio.

E de uma liga na qual há defeitos pontuais que

levam à difusão sólida.

Mas este modelo de palitos e bolas não é uma história completa.

Ele mostra, obviamente, onde os centros dos átomos estão,

representa bem a organização espacial geral da célula unitária,

mas, é claro, as bolas representando os átomos são muito menores

do que as esferas atômicas seriam em realidade.

Então este modelo de átomos em tamanho grande.

Esta é uma caixa em que temos nossa célula unitária cúbica,

e nele cada um dos átomos,

ou átomos parciais contidos na célula unitária, estão numa proporção real

Então, neste caso, eles se tocam, come aconteceria na situação da ligação real.

Então, mais uma vez, isto representa o alumínio, e

neste caso, o arranjo de face centrada

o arranjo cúbico nos vértices, a posição de face centrada.

Todos estes átomos estão empacotados de maneira muito eficiente, e

o que vemos se fizermos uma análise cuidadosa do volume deste sistema,

Estas esferas e segmentos esféricos ocupam 74% do volume do cubo.

Então, há muito pouco espaço vazio ou

espaço intersticial entre os átomos individuais.

Então, quando começarmos a falar sobre defeitos, veremos que há na verdade

dois tipos que podemos imaginar nestas estruturas cristalinas praticamente perfeitas.

Poderíamos simplesmente remover um átomo, e haveria um vazio

Ou poderíamos pegar outro átomo, digamos, um átomo de alumínio do mesmo tamanho,

e colocá-lo nesse espaço intersticial.

Isso vai ser obviamente difícil,

porque há muito pouco espaço extra.

O que podemos fazer é criar um defeito intersticial

com um átomo menor de outro tipo,

e isto é exatamente o que acontece em processos de fabricação de aços comuns.

Temos átomos de carbono numa matriz de átomos de ferro na estrutura cristalográfica,

então, por exemplo, se temos um arranjo cúbico de face centrada de átomos de aço como temos

no aço em alta temperatura, um pequeno átomo de carbono se encaixaria perfeitamente

no espaço intersticial e o seu movimento através da estrutura cristalina

é a base da carburação do aço.

Então vamos agora para um segmento de vídeo que vai nos ajudar a

entender em mais detalhes o que são esses defeitos.

Vamos nos focar especificamente nos vazios ou lacunas,

e como estas lacunas podem levar a difusão em estado sólido.

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