Propriedades Mecânicas dos Metais

Prévia do material em texto

Resumo 3 
Nome: Francisca Angélica Albuquerque Severo / Turma: Civil 25 
 
Propriedades mecânicas e fratura dos metais 
Regime elástico 
• Metais apresentam ligações metálicas que são fortes ⇒ Módulo de elasticidade 
alto 
• Valores similares na compressão e na tração do módulo de elasticidade. 
• Módulo de elasticidade varia com impurezas, deformação prévia e temperatura, 
com essa última tem uma relação inversamente proporcional. 
Regime plástico 
• Valores similares na tração e na compressão. 
• Metais normalmente apresentam comportamento dúctil pois tem facilidade na 
movimentação de discordâncias (Exceção: Ferro fundido) 
• Os valores variam com impurezas, deformação prévia e temperatura. 
• Ocorre devido ao deslizamento entre os planos. 
Metais monocristalinos (Minoria dos metais) 
• As discordâncias armazenam energia de deformação e lá surgem deformações de 
rede (Compressão acima da discordância, tração abaixo e cisalhamento na 
vizinhança). 
• A região da discordância é importante para propriedades mecânicas. 
• As discordâncias podem aumentar em quantidade com deformação plástica ou a 
partir de outras imperfeições que concentram tensões. 
• Deformação plástica ⇒ Ocorre principalmente por causa do movimento das 
discordâncias. 
Metais policristalinos (Maioria dos metais) 
• O deslocamento das discordâncias que ocorre nos monocristalinos é afetado por 
“barreiras” ou “impedimentos”, como os contornos de grão que não são desfeitos 
após a deformação plástica. 
• Mais difícil de ocorrer deslizamento que nos monocristalinos por causa das 
“barreiras”. 
Fratura 
• Quando há um impedimento como contorno de grão ou outra fase, a 
movimentação de discordâncias é afetada, concentrando tensão e essa alta 
concentração de tensão pode resultar em dano (Processo de danificação). 
• Quanto mais planos de escorregamento, mais a concentração de tensão diminui. 
• Ocorre quebra de ligação e forma fissura nas regiões que a concentração de tensão 
supera a resistência do material. (Nucleação da fissura). 
• A velocidade de propagação da fissura caracteriza o tipo de ruptura: 
o Frágil: Menos estável, ruptura mais rápida. 
o Dúctil: Mais estável, ruptura mais lenta. (Formação de pescoço) 
• Nos metais a fratura frágil se divide em duas: 
o Clivagem: “Atravessa os grãos”. 
o Intergranular: A fratura segue a linha de contorno de grão. 
• A fratura dúctil se divide em quatro: 
o Transgranular: Forma fissura “atravessando” os grãos. 
o Intergranular: As fissuras são formadas ao longo dos contornos de grão. 
o Empescoçamento: Formação de pescoço no material. 
o Shear localization: Cisalhamento 
 
Processos que alteram as propriedades 
• Existem processos que modificam a microestrutura dos matérias e modificam as 
propriedades associadas. 
1) Mecanismo de aumento de resistência 
• A deformação plástica ocorre por causa da movimentação das discordâncias: 
o ↑ 𝑀𝑜𝑣. 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑟𝑑â𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 ⇒ ↓ 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 
o ↑ 𝑀𝑜𝑣. 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑟𝑑â𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 ⇒ ↑ 𝐷𝑢𝑐𝑡𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 
a. Redução do tamanho do grão 
• Contornos de grão agem como barreiras contra o movimento de 
discordância (pode gerar concentração de tensão), quanto maior a 
diferença na orientação cristalográfica mais difícil fica a movimentação. 
• Material com grãos menores tem maior área total de contorno de grão 
para impedir a movimentação de discordâncias. 
b. Solução sólida (Impurezas) 
• Formação de solução sólida substitucional ou intersticial. 
• Os átomos de impurezas impõem deformações de rede sobre os átomos 
hospedeiros vizinhos ⇒ Interações do campo de deformação da rede 
entre as discordâncias e esses átomos de impurezas ⇒ Movimento das 
discordâncias fica restrito. 
 
c. Encruamento 
• Aumento da deformação aumenta a densidade de discordâncias. 
• Densidade de discordâncias aumenta com a deformação, por causa da 
multiplicação das discordâncias ou da formação de novas discordâncias 
⇒ A distância média de separação entre as discordâncias diminui. 
• Na média, as interações discordâncias-deformações devidas às 
discordâncias são repulsivas ⇒ Movimento de uma discordância é 
dificultado pela presença das outras. Assim, a tensão 
necessária para deformar aumenta com o aumento do trabalho a frio. 
 
2) Tratamentos térmicos: 
a. Recozimento 
• Utilizado para recuperar metais/ligas após trabalho a frio. 
• Resultante da recuperação + recristalização(+crescimento de grão). 
• Recuperação: Libera energia de deformação, diminui densidade de 
discordância. Recupera parcial/ características de antes do trabalho a 
frio. 
• Recristalização: Formação de grãos equiaxiais, sem deformação, baixa 
densidade de discordância. recuperam características de antes do 
trabalho a frio. 
• Crescimento de grão: Ocorre devido a migração do contorno de grão. 
Fluência 
• Deformação permanente e dependente do tempo sob carga ou tensão constante. 
• No início há deformação instantânea, depois um processo de encruamento 
(Fluência primária), depois encruamento + recuperação (Fluência secundária) e 
por último a fluência terciária até a formação de fissuras e ruptura que pode 
ocorrer ou não. 
 
Propriedades mecânicas e fratura das cerâmicas 
Regime elástico e regime plástico 
• Ligações iônicas e covalentes que são fortes ⇒ Módulo de elasticidade alto. 
• Planos de deslizamento (Base da deformação plástica) são limitados porque as 
cargas se repelem ao deslizar (Por causa das ligações iônicas), além disso, as 
ligações covalentes (Direcionais) dificultam o deslizamento ⇒ Pouco deslizamento 
⇒ Geralmente não sofrem deformação plástica. Exceção: Argila e vidro. 
Fratura das cerâmicas 
• Diversos tipos de imperfeições, mais importantes são poros e microfissuras por 
causa do tamanho. 
• Concentração de tensão nas imperfeições gera dano. 
• Quebra de ligação nas regiões que a concentração de tensão supera a resistência 
do material: 
o A fratura original gera múltiplas bifurcações: 
 
• A propagação das fissuras é mais estável (Mais lenta) nos ensaios à compressão 
do que em ensaios à tração ⇒ Resistência à compressão é maior que à tração (De 
8 a 10 vezes). 
• Carregamento por força de tração: Propagação das fissuras ocorre por 
tensões de tração próximo às imperfeições. 
• Carregamento por força de compressão: Propagação das fissuras ocorre por 
tensões de tração ou cisalhamento próximo às imperfeições gerando fraturas 
secundárias. 
• Tipos de fraturas das cerâmicas: 
 
• Carga de compressão: 
o Poros concentram tensões e ocorre a danificação, que crescem (Fissuração) 
e se propagam (Propagação) e ocorre a fratura (Visto no resumo anterior). 
 
Processos que alteram propriedades 
• Existem processos que modificam a microestrutura do material (Tratamento 
térmico é muito utilizado para cerâmicas). 
Porosidade 
• Poros surgem na produção e são vazios no material que atrapalham porque não 
tem resistência e concentra tensão ⇒ Aumento da porosidade diminui a rigidez. 
 
Fluência 
• Comportamento Tempo x Deformação nesse processo é parecido com o que 
acontece nos metais, mas pras cerâmicas ocorre em temperaturas mais elevadas. 
Propriedades mecânicas e fratura dos polímeros 
Regime elástico 
• Dois estágios: Alongamento da fase amorfa primeiro e depois da fase cristalina 
 
Regime plástico 
Semi cristalinos 
• Nesse regime ocorre escorregamento das cadeias lamelares. 
• O deslocamento das cadeias é resistido por força de Van der Walls (Secundária) 
por isso não é muito grande. 
• Ocorre a separação dos blocos cristalinos e a estrutura fica altamente orientada 
pela força. 
Elastômeros (Acima da temperatura de transição vítrea) 
• Cadeias cruzadas impedem deformação plástica, por isso sofrem grandes 
deformações e se recuperam. 
Fratura 
• Processo é bem similar ao que ocorre nos metais, a diferença é apenas a fibrilação 
que ocorre. 
 
Processos que alteram propriedades 
Semicristalinos• Tratamento térmico 
o Aumenta cristalinidade ⇒ ↑ 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒 ↓ 𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒. 
o Anula efeito do estiramento. 
• Estiramento 
o Similar ao encruamento dos metais. 
o Gera anisotropia (Resistência paralela à força é maior) 
• Cristalinidade/Peso molecular: 
o Aumentam resistência por causa do maior empacotamento. 
o Diminui ductilidade. 
Elastômeros 
• Vulcanização: 
o Cadeias cruzadas aumenta resistência. 
Comportamento tensão-deformação 
 
• Resistência menor que cerâmicas e metais por causa do menor empacotamento e 
das muitas ligações secundárias. 
Técnicas de caracterização dos materiais 
• Técnicas experimentais que caracterizam da nano até a microestrutura. 
• Técnicas importantes: 
o Fluorescência de raios-X (XRF) 
o Microscopia eletrônica de varredura (SEM) 
o Difração de raios-X (XRD) 
o Espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) 
XRF (Não destrutiva) 
1) Pra quê? 
• Determinação qualitativa (Quais elementos) e quantitativa(Quanto de cada 
elemento). 
2) Princípio 
• Incidência de Raio-X⇒Elétron ejetado pela absorção de Raio-X⇒Elétron de maior 
energia ocupa o lugar do ejetado. 
3) Dados obtidos 
• Energia emitida pelo elétron que ocupa o lugar do outro é igual à diferença de 
energia entre os orbitais, essa energia é específica de cada elemento. 
XRD (Não destrutiva) 
1) Pra quê? 
• Detecta as fases cristalinas da amostra. 
2) Princípio 
• Difração ocorre se o obstáculo (Átomos) tem mesma ordem de grandeza da 
onda(Raio-X) ⇒ Raio-X dispersa quando encontra o átomo ⇒ Interferência 
construtiva se seguir a Lei de Bragg (𝑛𝜆 = 2 ∗ 𝑑ℎ𝑘𝑙 ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝜃), com 𝑛 ∈ ℕ∗) 
 
3) Dados obtidos 
• Gráfico de intensidade x 2𝜃 (Difratograma): Picos de intensidade característicos 
de determinado plano do cristal. Logo, cada estrutura cristalina tem um padrão 
de difração. 
FTIR (Não destrutiva) 
1) Pra quê? 
• Identifica os compostos químicos da amostra. 
2) Princípio 
• Frequência de ondas infravermelho próxima da frequência de vibração das 
moléculas 
• A molécula absorve a luz e converte essa energia em vibração molecular e passa 
a se mover com maior amplitude (Nível maior de energia). 
• A energia absorvida da radiação IR é relacionada a um modo vibracional de uma 
ligação de uma molécula, identificada sabendo qual energia ela absorveu. 
3) Dados obtidos 
• Transformada de Fourier pra processar os dados e obter o espectro de 
infravermelho do composto. 
SEM (Não destrutiva) 
1) Pra quê? 
• Informações da microestrutura da amostra. 
2) Princípio 
• O microscópio eletrônico de varredura utiliza um feixe de elétrons que é “jogado” 
na amostra e interage com a amostra gerando diversos feixes de elétrons e fótons: 
o Fótons (Catodoluminescência) 
o Elétrons retro-espalhados utilizados para formar a imagem (Observação 
de composições diferentes) 
o Elétrons secundários utilizados para formar a imagem (Topografia e alta 
resolução) 
o Raios-X característicos utilizados para determinar a composição química. 
3) Dados obtidos 
• Imagem ampliada da amostra.