Aula 7 - Discordancias e Mecanismos de aumento de Resistencia

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Discordâncias e Mecanismos de 
aumento de Resistência
Prof. Jomar Berton Junior
E-mail: jomar.junior@ifpr.edu.br
Introdução
A deformação plástica é permanente, e a resistência e a dureza são medidas da
resistência de um material a essa deformação. Em uma escala microscópica, a
deformação plástica corresponde ao movimento resultante de um grande número
de átomos em resposta à aplicação de uma tensão. Durante esse processo,
ligações Inter atômicas devem ser rompidas e então novamente formadas. Nos
sólidos cristalinos, a deformação plástica envolve, na maioria das vezes, o
movimento de discordâncias, que são defeitos cristalinos lineares
Introdução
Vamos estudar sobre as características das discordâncias e o seu envolvimento
na deformação plástica.
Vamos aprender várias técnicas são apresentadas para aumentar a resistência de
metais monofásicos, cujos mecanismos são descritos em termos de
discordâncias.
A maclação, outro processo pelo qual alguns metais se deformam plasticamente,
também vai ser discutido.
Discordâncias
Discordâncias
Discordâncias
Discordâncias
Discordâncias
Por que os Defeitos Aumentam a Resistência dos Metais?
Os campos de deformação ao redor das discordâncias próximas umas das outras podem
interagir entre si, de modo tal que forças são impostas sobre cada discordância em razão das
interações combinadas de todas as discordâncias vizinhas. Por exemplo, duas discordâncias
de aresta que possuem o mesmo sinal e um plano de escorregamento idêntico, como está
representado na Figura (a) a seguir. Os campos de deformação de compressão e de tração
para ambas as discordâncias se encontram no mesmo lado do plano de escorregamento; a
interação do campo de deformação é tal que existe uma força de repulsão mútua entre essas
duas discordâncias isoladas, a qual tende a afastá-las. Por outro lado, duas discordâncias de
sinais opostos e que possuem o mesmo plano de escorregamento serão atraídas uma em
direção à outra, como indicado na Figura (b) a seguir; quando elas se encontrarem, ocorrerá
uma aniquilação de discordâncias.
Esses campos de deformação e as forças associadas são importantes nos mecanismos de
aumento de resistência dos metais.
Discordâncias
Discordâncias
Durante a deformação plástica, o número de discordâncias aumenta
drasticamente. Uma fonte importante dessas novas discordâncias são as
discordâncias existentes, que se multiplicam; além disso, os contornos de
grão, assim como defeitos internos e irregularidades superficiais, tais como
riscos e entalhes, que atuam como concentrações de tensões, podem servir
como sítios para a formação de discordâncias durante a deformação.
Sistemas de Escorregamento
As discordâncias não se movem com o mesmo grau de facilidade em todos os planos
cristalográficos de átomos e em todas as direções cristalográficas. Comumente, existe um
plano preferencial e, nesse plano, existem direções específicas ao longo das quais ocorre o
movimento das discordâncias. Esse plano é chamado de plano de escorregamento;
A direção do movimento é chamada de direção de escorregamento. Essa combinação de
plano de escorregamento e direção de escorregamento é denominada sistema de
escorregamento.
O sistema de escorregamento depende da estrutura cristalina do metal, e é tal que a distorção
atômica que acompanha o movimento de uma discordância é mínima. Para uma estrutura
cristalina específica, o plano de escorregamento é aquele que possui o empacotamento
atômico mais denso.
Sistemas de Escorregamento
Os metais com estruturas cristalinas CFC e CCC possuem um número relativamente grande
de sistemas de escorregamento (pelo menos 12). Esses metais são bastante dúcteis, pois, em
geral, é possível ocorrer deformação plástica extensa ao longo dos vários sistemas. De
maneira contrária, os metais HC, que possuem poucos sistemas de escorregamento ativos,
são normalmente bastante frágeis.
Deformação por Maclação
Além de ocorrer por escorregamento, a deformação plástica em alguns materiais metálicos
pode ocorrer também pela formação de maclas de deformação, ou maclação.
Deformação por Maclação
Para um monocristal submetido a uma tensão de cisalhamento τ, (a) deformação por
escorregamento; (b) deformação por maclação.
Deformação por Maclação
As maclas de deformação ocorrem em metais que possuem estruturas cristalinas CCC e HC,
em baixas temperaturas, e sob taxas de carregamento elevadas (cargas de impacto),
condições sob as quais o processo de escorregamento é restringido; isto é, existem poucos
sistemas de escorregamento operacionais. A quantidade da deformação plástica global obtida
por maclação é normalmente pequena em relação à que resulta do escorregamento.
Mecanismos de Aumento da Resistência 
em Metais
A relação entre o movimento das discordâncias e o comportamento mecânico dos metais é
importante para a compreensão dos mecanismos de aumento da resistência. Uma vez que a
deformação plástica macroscópica corresponde ao movimento de grande número de
discordâncias, a habilidade de um metal se deformar plasticamente depende da habilidade de
as discordâncias se moverem.
Uma vez que a dureza e a resistência (tanto o limite de escoamento quanto o limite de
resistência à tração) estão relacionadas com a facilidade pela qual a deformação plástica pode
ser induzida, por causa da redução na mobilidade das discordâncias, a resistência mecânica
pode ser melhorada; isto é, forças mecânicas maiores serão necessárias para iniciar a
deformação plástica.
Em contraste, quanto menos restrito estiver o movimento das discordâncias, maior será a
facilidade de um metal poder se deformar, e mais dúctil e menos resistente ele se tornará.
Virtualmente, todas as técnicas de aumento de resistência dependem desse princípio simples:
A restrição ou o impedimento ao movimento das discordâncias confere maior dureza e
resistência ao material.
Aumento da Resistência pela Redução 
do Tamanho do Grão
O tamanho dos grãos, ou o diâmetro médio do grão, em um metal policristalino influencia suas
propriedades mecânicas. Os grãos adjacentes possuem, normalmente, orientações
cristalográficas diferentes e, obviamente, um contorno de grão comum, como está indicado na
Figura. Durante a deformação plástica, o escorregamento ou movimento das discordâncias
deve ocorrer por meio desse contorno comum — digamos, do grão A para o grão B na Figura.
O contorno de grão atua como uma barreira ao movimento das discordâncias por duas razões:
Aumento da Resistência pela Redução 
do Tamanho do Grão
Influência do tamanho de grão sobre o limite de escoamento de um latão 70 Cu-30 Zn. Observe que o 
diâmetro de grão aumenta da direita para a esquerda, e esse aumento não é linear.
Aumento da Resistência por Solução 
Sólida
Outra técnica para aumentar a resistência e endurecer metais consiste na formação de ligas
com átomos de impurezas que formam uma solução sólida substitucional ou intersticial. Nesse
sentido, isso é chamado aumento da resistência por solução sólida
As ligas são mais resistentes que os metais puros, uma vez que os átomos de impurezas que
estão participando na solução sólida normalmente impõem deformações de rede sobre os
átomos hospedeiros vizinhos. Assim, resultam interações do campo de deformação da rede
entre as discordâncias e esses átomos de impurezas, e, consequentemente, o movimento das
discordâncias fica restrito.
Aumento da Resistência por Solução 
Sólida
Aumento da Resistência por Solução 
Sólida
Variação (a) do limite de resistência à tração, (b) do limite de escoamento e (c) da ductilidade
(%AL) mostrando o aumento da resistência, em função do teor de níquel para ligas cobre-
níquel.
Encruamento
O encruamento é o fenômeno pelo qual um metal dúctil se torna mais duro e mais resistente à
medida que é deformado plasticamente. Algumas vezes, esse fenômeno também é chamado
de endurecimento por trabalho, ou, pelo fato de a temperatura na qual a deformação ocorre ser
“fria” em relação à temperatura absoluta de fusão do metal, de trabalhoa frio. A maioria dos
metais encrua à temperatura ambiente.
Encruamento
Para o aço 1040, o latão e o cobre, (a) o aumento no limite de escoamento, (b) o aumento no limite de resistência à 
tração e (c) a redução na ductilidade (%AL) em função da porcentagem de trabalho a frio.
Encruamento
Influência do trabalho a frio sobre o comportamento tensão-deformação de um aço com baixo teor de 
carbono; estão mostradas as curvas para 0%TF, 4%TF e 24%TF
Encruamento
O encruamento é, frequentemente, utilizado
comercialmente para melhorar as propriedades
mecânicas dos metais durante procedimentos de
fabricação.
Como os Defeitos Afetam os Metais?
A presente discussão está restrita aos mecanismos de aumento da resistência para metais
monofásicos pela redução no tamanho do grão, formação de ligas por solução sólida e por
meio de encruamento.
A deformação e o aumento da resistência para ligas multifásicas são mais complicados e
envolvem conceitos mais específicos.
Recuperação, Recristalização e 
Crescimento de Grão
A deformação plástica de uma amostra metálica policristalina em temperaturas que são baixas
em comparação à sua temperatura absoluta de fusão produz alterações microestruturais e de
propriedades que incluem alteração na forma do grão, (2) encruamento e (3) aumento na
densidade das discordâncias. Uma parcela da energia gasta na deformação é armazenada no
metal como energia de deformação, associada a zonas de tração, compressão e cisalhamento
ao redor das discordâncias recém-criadas. Além disso, outras propriedades, tais
como a condutividade elétrica e a resistência à corrosão, podem ser modificadas como
consequência da deformação plástica.
Recozimento
O que é recozimento e o que ele faz?
Essas propriedades e estruturas podem ser revertidas aos seus estados
anteriores ao trabalho a frio mediante um tratamento térmico apropriado
(algumas vezes denominado tratamento de recozimento). Essa restauração
resulta de dois processos diferentes que ocorrem em temperaturas elevadas:
recuperação e recristalização, que podem ser seguidos por crescimento de
grão.
Recuperação
Durante a, recuperação uma parcela da energia de deformação interna
armazenada é liberada em virtude do movimento das discordâncias (na
ausência de aplicação de uma tensão externa), como resultado da maior
difusão atômica em temperaturas elevadas. Existe certa redução no número
de discordâncias, e são produzidas configurações de discordâncias que
possuem baixas energias de deformação. Além disso, algumas propriedades
físicas, tais como as condutividades elétrica e térmica, são recuperadas aos
estados de antes do trabalho a frio.
Recristalização
Mesmo após a recuperação estar completa, os grãos ainda estão em um
estado de energia de deformação relativamente elevado.
A recristalização é a formação de um novo conjunto de grãos livres de
deformação e equiaxiais (isto é, com dimensões aproximadamente iguais em
todas as direções), com baixas densidades de discordâncias e que são
característicos das condições anteriores ao trabalho a frio. A força motriz para
produzir essa nova estrutura de grãos é a diferença de energia interna entre o
material deformado e o material não deformado. Os novos grãos se formam
como núcleos muito pequenos, e crescem até consumirem por completo seu
material de origem, em processos que envolvem difusão de curto alcance.
Recristalização
Além disso, durante a recristalização, as propriedades mecânicas que foram
alteradas como consequência do trabalho a frio são restauradas aos seus
valores anteriores ao trabalho a frio; isto é, o metal se torna menos resistente e
tem menor dureza, entretanto é mais dúctil.
Alguns tratamentos térmicos são projetados para permitir que a recristalização
ocorra com essas modificações nas características mecânicas.
O comportamento da recristalização de determinada liga metálica é algumas
vezes especificado em termos de uma temperatura de recristalização, que é a
temperatura na qual a recristalização termina em exatamente 1 hora.
Recristalização
Recozimento
Micrografias mostrando vários estágios da recristalização e do
crescimento de grãos do latão. (a) Estrutura de grão
trabalhado a frio (33 %TF). (b) Estágio inicial da
recristalização, após aquecimento durante 3 s a 580ºC; os
grãos muito pequenos são aqueles que recristalizaram. (c)
Substituição parcial dos grãos trabalhados a frio por grãos
recristalizados (4 s a 580ºC). (d) Recristalização completa (8 s
a 580ºC). (e) Crescimento dos grãos após 15 minutos a 580ºC.
(f) Crescimento dos grãos após 10 minutos a 700ºC.
CRESCIMENTO DE GRÃO
Após a conclusão da recristalização, os grãos isentos de deformações
continuarão a crescer se a amostra do metal for deixada sob uma temperatura
elevada esse fenômeno é chamado de crescimento de grão. O crescimento de
grão não precisa ser precedido por recuperação e recristalização; ele pode
ocorrer em todos os materiais policristalinos, tanto nos metais quanto nas
cerâmicas.
CRESCIMENTO DE GRÃO
Uma energia está associada aos contornos de grão. Conforme os grãos
aumentam de tamanho, a área total dos contornos diminui, produzindo uma
consequente redução na energia total; essa é a força motriz para o
crescimento de grão.
O crescimento de grão ocorre pela migração dos contornos de grão. Com
efeito, nem todos os grãos podem aumentar de tamanho, porém grãos maiores
crescem à custa de grãos menores, que diminuem. Dessa forma, o tamanho
médio de grão aumenta com o tempo e, em qualquer instante específico,
existirá uma faixa de tamanhos de grão.
Referências Bibliográficas
CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. Ciência e engenharia de 
materiais: uma introdução. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. 817 p.
Padilha, A.F. Materiais de Engenharia. Hemus. São Paulo. 1997
Dúvidas?