discordancias e deformacao

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Eleani Maria da Costa -PGETEMA/PUCRS
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4-PROPRIEDADES DOS METAIS DEFORMADOS PLASTICAMENTE
A capacidade de um material se deformar plasticamente está relacionado com a habilidade das discordâncias se movimentarem
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7. 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
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PROPRIEDADES DOS METAIS DEFORMADOS PLASTICAMENTE
A capacidade de um material se deformar plasticamente está relacionado com a habilidade das discordâncias se movimentarem
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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
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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
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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)
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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
Plano de escorregamento
Direção de escorregamento 
Uma distância 
interatômica
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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM CUNHA E EM HÉLICE
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Fonte: Prof. Sidnei/ DCMM/PUCRJ
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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
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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.
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INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS
ATRAÇÃO
REPULSÃO
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MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM MONOCRISTAIS
Durante a deformação plástica o número de discordâncias aumenta drasticamente 
As discordâncias movem-se mais facilmente nos planos de maior densidade atômica (chamados planos de escorregamento). Neste caso, a energia necessária para mover uma discordância é mínima
Então, o número de planos nos quais pode ocorrer o escorregamento depende da estrutura cristalina
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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
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Planos e direções de deslizamento das discordâncias
Sistemas de delizamento:conjunto de planos e direções de maior densidade atômica
CFC: {111}<110> (mínimo 12 sistemas)
CCC: {110}<111> (mínimo 12 sistemas)
HC: apresenta poucos sistemas de deslizamento (3 ou 6) por isso os metais que cristalizam nesta estrutura são frágeis
PARA ALGUNS MATERIAIS COM ESTRUTURAS CCC E HC O 
ESCORREGAMENTO DE ALGUNS PLANOS SÓ SE TORNAM 
OPERATIVOS A ALTAS TEMPERATURAS
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CFC: {111}<110> 
(mínimo 12 sistemas de escorregamento)
Planos: {111}= 4
Direções: 3 para cada plano
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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
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Mecanismos de aumento de resistência dos metais
Aumento da resistência por adição de elemento de liga (formação de solução sólida ou precipitação de fases)
Aumento da resistência por redução do tamanho de grão
Aumento da resistência por encruamento
Aumento da resistência por tratamento térmico (transformação de fase): será visto posteriormente
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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
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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
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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
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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.
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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.
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Qual das duas ligas com teores iguais de soluto apresentará o maior limite de escoamento?
Al-Cu
Al-Si
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Dependência da tensão de escoamento com o tamanho de grão
EQUAÇÃO DE HALL-PETCH
esc= o + Ke (d)-1/2
o
e Ke são constantes
o= tensão de atrito oposta ao movimento das discordâncias
Ke= constante relacionada com o empilhamento das discordâncias
d= tamanho de grão
Essa equação não é válida para grãos muito grosseiros ou muito pequenos
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Dependência do limite de escoamento com o tamanho de grão
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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)
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GRAU DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM TERMOS DE TRABALHO À FRIO (TF)
%TF= Ainicial-Afinal x100
			 Ainicial
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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
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ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA
Antes da deformação
Depois da deformação
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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
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MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO
ESTÁGIOS:
Recuperação
Recristalização
Crescimento de grão
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MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO
Ex: Latão
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RECUPERAÇÃO
Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação devido 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)
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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
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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
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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
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Crescimento de grão por difusão
Pode-se refinar o grão
 de uma liga monofásica
 mediante deformação 
plástica e recristalização
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Dependência do tamanho de grão com o tempo de aquecimento
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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
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TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAÇÃO
Chumbo					- 4C
Estanho					- 4C
Zinco					 10C
Alumínio de alta pureza 	80C
Cobre de alta pureza	 	 120C
Latão 60-40			 	 475C
Níquel				 	 370C
Ferro				 	 450C
Tungstênio		 	1200C
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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
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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
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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