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1 PROPRIEDADES DOS METAIS DEFORMADOS PLASTICAMENTE A capacidade de um material se deformar plasticamente está relacionado com a habilidade das discordâncias se movimentarem 2 Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência - Conceitos básicos: características das discordâncias, sistemas de escorregamento - Aumento da resistência por diminuição do tamanho de grão - Aumento da resistência por solução sólida - Encruamento, recuperação, recristalização e crescimento de grão 3 PROPRIEDADES DOS METAIS DEFORMADOS PLASTICAMENTE A capacidade de um material se deformar plasticamente está relacionado com a habilidade das discordâncias se movimentarem 4 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA • Os materiais podem ser solicitados por tensões de compressão, tração ou de cisalhamento. • Como a maioria dos metais são menos resistentes ao cisalhamento que à tração e compressão e como estes últimos podem ser decompostos em componentes de cisalhamento, pode-se dizer que os metais se deformam pelo cisalhamento plástico ou pelo escorregamento de um plano cristalino em relação ao outro. • O escorregamento de planos atômicos envolve o movimento de discordâncias 5 DISCORDÂNCIAS E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA • Em uma escala microscópica a deformação plástica é o resultado do movimento dos átomos devido à tensão aplicada. Durante este processo ligações são quebradas e outras refeitas. • Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve o escorregamento de planos atômicos, o movimento de discordâncias e a formação de maclas • Então, a formação e movimento das discordâncias têm papel fundamental para o aumento da resistência mecânica em muitos materiais. A resistência Mecânica pode ser aumentada restringindo-se o movimento das discordâncias 6 MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA • Discordâncias em cunha movem-se devido à aplicação de uma tensão de cisalhamento perpendicular à linha de discordância • O movimento das discordâncias pode parar na superfície do material, no contorno de grão ou num precipitado ou outro defeito • A deformação plástica corresponde à deformação permanente que resulta principalmente do movimento de discordâncias (em cunha ou em hélice) • vem 7 MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS Plano de escorregamento Direção de escorregamento Uma distância interatômica 8 MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM CUNHA E EM HÉLICE • vem Fonte: Prof. Sidnei/ DCMM/PUCRJ 9 DENSIDADES DE DISCORDÂNCIAS TÍPICAS • Materiais solidificados lentamente = 103 discord./mm2 • Materiais deformados= 109 -1010 discord./mm2 • Materiais deformados e tratados termicamente= 105 -106 discord./mm2 10 CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS IMPORTANTES PARA AS PROP. MECÂNICAS • Quando os metais são deformados plasticamente cerca de 5% da energia é retida internamente, o restante é dissipado na forma de calor. • A maior parte desta energia armazenada está associada com as tensões associadas às discordâncias • A presença de discordâncias promove uma distorção da rede cristalina de modo que certas regiões sofrem tensões compressivas e outras tensões de tração. • vem 11 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM MATERIAIS POLICRISTALINOS A direção de escorregamento varia de grão para grão LINHAS DE ESCORREGAMENTO Na maioria dos grãos há 2 sistemas de escorregamento operando 12 Maclas • Discordâncias não é o único defeito cristalino responsável pela deformação plástica, maclas também contribuem. • Deformação em materiais cfc, como o cobre, é comum ocorrer por maclação 13 Mecanismos de aumento de resistência dos metais 1. Aumento da resistência por adição de elemento de liga (formação de solução sólida ou precipitação de fases) 2. Aumento da resistência por redução do tamanho de grão 3. Aumento da resistência por encruamento 4. Aumento da resistência por tratamento térmico (transformação de fase): será visto posteriormente 14 1- Aumento da resistência por adição de elemento de liga • Os átomos de soluto podem causar tanto tração (átomos menores) como compressão (átomos maiores) na rede cristalina • Os átomos de soluto se alojam na rede próximo às discordâncias de forma a minimizar a energia total do sistema 15 1- Aumento da resistência por adição de elemento de liga EX: INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento. Por isso soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que seus metais puros constituintes 16 2- Aumento da resistência por diminuição do tamanho de grão ex: DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM MATERIAIS POLICRISTALINOS O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias • Devido as diferentes orientações cristalinas presentes, resultantes do grande número de grãos, as direções de escorregamento das discordâncias variam de grão para grão 17 Aumento da resistência por diminuição do tamanho de grão • O contorno de grão funciona como um barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão. 18 ESCOAMENTO E DISCORDÂNCIAS A tensão necessária para mover a discordância e gerar a deformação plástica está relacionada não só com a energia para mover e criar discordâncias, mas também para dissociá-las dos átomos de soluto. 19 Dependência do limite de escoamento com o tamanho de grão 20 3- ENCRUAMENTO OU ENDURECIMENTO PELA DEFORMAÇÃO À FRIO • É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio) • Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicos • A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformação • O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização) 21 GRAU DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM TERMOS DE TRABALHO À FRIO (TF) • %TF= Ainicial-Afinal x100 Ainicial 22 VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTO O encruamento aumenta a resistência mecânica O encruamento aumenta o limite de escoamento O encruamento diminui a ductilidade 23 ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA • Antes da deformação • Depois da deformação 24 RECRISTALIZAÇÃO (Processo de Recozimento para Recristalização) • Se os metais deformados plasticamente forem submetidos ao um aquecimento controlado, este aquecimento fará com que haja um rearranjo dos cristais deformados plasticamente, diminuindo a dureza dos mesmos 25 MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO ESTÁGIOS: • Recuperação • Recristalização • Crescimento de grão 26 MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO Ex: Latão 27 RECUPERAÇÃO • Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformaçãodevido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica • Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo das mesmas • Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica voltam ao seu estado original (correspondente ao material não-deformado) 28 RECRISTALIZAÇÃO • Depois da recuperação, os grãos ainda estão tensionados • Na recristalização os grão se tornam novamente equiaxiais (dimensões iguais em todas as direções) • O número de discordâncias reduz mais ainda • As propriedades mecânicas voltam ao seu estado original Forma-se um novo conjunto de grãos que são equiaxiais 29 RECRISTALIZAÇÃO Pode-se refinar o grão de uma liga monofásica mediante deformação plástica e recristalização Forma-se um novo conjunto de grãos que são equiaxiais 30 CRESCIMENTO DE GRÃO • Depois da recristalização se o material permanecer por mais tempo em temperaturas elevadas o grão continuará à crescer • Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor é sua resistência 31 Crescimento de grão por difusão Pode-se refinar o grão de uma liga monofásica mediante deformação plástica e recristalização 32 Dependência do tamanho de grão com o tempo de aquecimento 33 TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAÇÃO • A temperatura de recristalização é dependente do tempo • A temperatura de recristalização está entre 1/3 e ½ da temperatura de fusão 34 TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAÇÃO • Chumbo - 4C • Estanho - 4C • Zinco 10C • Alumínio de alta pureza 80C • Cobre de alta pureza 120C • Latão 60-40 475C • Níquel 370C • Ferro 450C • Tungstênio 1200C 35 DEFORMAÇÃO À QUENTE E DEFORMAÇÃO À FRIO • Deformação à quente: quando a deformação ou trabalho mecânico é realizado acima da temperatura de recristalização do material • Deformação à frio: quando a deformação ou trabalho mecânico é realizado abaixo da temperatura de recristalização do material 36 DEFORMAÇÃO À QUENTE VANTAGENS Permite o emprego de menor esforço mecânico para a mesma deformação (necessita-se então de máquinas de menor capacidade se comparado com o trabalho a frio). Promove o refinamento da estrutura do material, melhorando a tenacidade Elimina porosidades Deforma profundamente devido a recristalização DESVANTAGENS: Exige ferramental de boa resistência ao calor, o que implica em custo O material sofre maior oxidação, formando casca de óxidos Não permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas 37 DEFORMAÇÃO À FRIO Aumenta a dureza e a resistência dos materiais, mas a ductilidade diminui Permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas Produz melhor acabamento superficial
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