7 - Discordancias e mecanismos de endurecimento

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Princípios de Ciências dos Materiais
EET310 – Eng. Mecânica
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Prof. Sérgio Camargo
Bloco F, 2°andar, sala 204
camargo@metalmat.ufrj.br
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Discordâncias
 Aumento de Resistência
Discordâncias em monocristal de LiF, polido e atacado quimicamente 
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Discordâncias
Porque estudar isso?
Movimento das discordâncias – mecanismos de deformação e ruptura
Mecanismos de endurecimento !!
Projeto de ligas e novos materiais
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Discordâncias
O que vamos aprender?
Movimento da discordâncias em aresta e em espiral
Como a deformação plástica se relaciona com o movimento das discordâncias
Sistemas de escorregamento
Alteração da estrutura de grão induzida pela deformação
Contorno de grão afeta movimento das discordâncias
Endurecimento por solução sólida
Processo de encruamento
Recristalização e recuperação
Crescimento do tamanho de grão
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Movimento de discordância
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Movimento de discordância
A discordância muda progressivamente de posição, plano a plano
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Movimento de discordâncias
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Movimento de discordâncias
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Movimento de discordâncias
Aresta
Hélice
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Característica das discordâncias
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Característica das discordâncias
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Discordâncias x classes de materiais
• Metais: Movimento de
 discordâncias é fácil
 - ligações não direcionais
 - escorregamento em planos e
 direções densos
nuvem de elétrons
Núcleo dos íons
• Cerâmicas covalentes
 (Si, diamante): Movimento
 difícil
 - ligações direcionais (angulares)
• Cerâmicas iônicas (NaCl):
 Movimento difícil
 - necessário evitar vizinhos 
 ++ e - - 
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Planos de escorregamento
Monocristal
de zinco
após ser 
submetido 
à tração
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Sistemas de escorregamento
- Planos de escorregamento
- Direção de escorregamento
SISTEMAS DE 
ESCORREGAMENTO
Planos e direções densos
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Sistemas de escorregamento
Alguns sistemas de escorregamento
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Observar que:
- em cada grão há uma direção de deslizamento preferencial
- há mais de uma direção de deslizamento em cada grão
Grãos de cobre deformados
Sistemas de escorregamento
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Discordância x estrutura cristalina
• Comparação entre diferentes estruturas:
 CFC: muitos planos e direções compactos
 HC: somente um plano, 3 direções
 CCC: nenhum
• Estrutura: planos e direções com empacotamento compacto são preferidos
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Tensão e Movimento de
Discordâncias
• Cristais escoam devido à tensão cisalhante resultante, tR 
• Tração pode produzir tensão cisalhante
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Tensão cisalhante crítica
• Condição para a discordância se mover:
• Orientação do cristal pode facilitar ou dificultar o movimento das discordâncias
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• Planos e direções de escorregamento (l, f) variam de um cristal para outro.
• tR varia de um cristal para o outro.
• Cristal com maior tR escorrega primeiro
• Outros cristais (com orientação menos favorável) escorregam depois
300 mm
Movimento de discordâncias em materiais policristalinos
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• Contorno de grão é barreira
 para o escorregamento.
• Eficiência da barreira depende
 do grau de desalinhamento.
• Tamanho de grão pequeno =
 mais fronteiras para
 ultrapassar.
• Hall-Petch Equation:
Reduzindo o Tamanho de Grão: endurecendo os materiais
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11
• 70% Cu - 30% Zn latão
• Dados:
Tamanho de grão: um exemplo
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• Anisotropia pode ser conseqüência da laminação 
-antes da laminação
-depois da laminação
235 mm
-isotrópico pois
os grão são aprox. esféricos e orientados randomicamente
anisotrópico pois a laminação afeta a orientação e a forma dos grãos
direção de laminação
Efeito da Anisotropia
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Anisotropia na deformação
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• Átomos de impurezas distorcem a rede cristalina e geram tensões 
• Tensões internas podem ser uma barreira para as
 discordâncias.
• Impureza pequena
• Impureza grande
Endurecendo os Materiais: soluções sólidas
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Impurezas pequenas tendem a se concentrar nas discordâncias
Reduzem a mobilidade das discordâncias – aumentam a resistência
Endurecendo os Materiais: soluções sólidas
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Impurezas grandes tendem a se concentrar nas discordâncias, no lado oposto das pequenas.
Reduzem a mobilidade das discordâncias – aumentam a resistência
Adaptado da Fig. 7.18, Callister 7ed. 
Endurecendo os Materiais: soluções sólidas
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• Aumento da resistência à tração e do limite de escoamento com a percentagem em peso de Ni.
• Relação empírica:
• A formação da liga aumenta sy e LRT.
Exemplo: Endurecimento do Cobre por solução sólida
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• Deformação à temperatura ambiente.
• A conformação comum muda a seção transversal
-Forjamento
-Trefilação
Endurecendo: deformação a frio
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• Liga de Ti após trabalho
a frio
• As discordâncias enroscam umas com as outras durante a deformação a frio
• O movimento das discordâncias se torna mais difícil
Discordâncias na deformação a frio
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• Tração horizontal sobre um metal CFC com entalhes 
• Mais de 1 bilhão de átomos modelados em bloco 3D
• Observar o aumento da densidade de discordâncias
Simulação: geração e movimento de discordâncias
Simulação: cortesia de Farid Abraham. 
Sob permissão da IBM Co.
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Efeito do Encruamento
• Limite de escoamento (se) cresce
• Resistência à tração (RT) cresce
• Ductilidade (%Al or %RA) decresce.
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• Resultados para ferro policristalino
• sy e RT decrescem com 
 aumento da temperatura
• %Al aumenta com o 
 aumento da temperatura
• Motivos? Vacâncias ajudam as discordâncias a ultrapassarem obstáculos e temperatura facilita difusão das vacâncias
Adaptado da Fig. 6.14, Callister 6ed.
s-e: Efeito da Temperatura
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• Qual o limite de escoamento, resistência à tração e a ductilidade do cobre após sofrer deformação a frio
Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker (Managing Ed.), American Society for Metals, 1979, p. 276 and 327.)
Ex.: Efeito da deformação a frio
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Efeito do aquecimento após a deformação a frio
• 1 hora de tratamento à T diminui o LRT e aumenta a %Al
• Efeitos da deformação a frio são revertidos
• 3 estágios a serem
 discutidos:
recuperação
recristalização
crescimento de grão
 RECOZIMENTO
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Recuperação
Energia armazenada na deformação é utilizada para movimentar discordâncias (sem tensão externa aplicada) – força motriz
Maior velocidade de difusão
Ocorre redução no número de discordâncias, alinhamento de discordâncias
Condutividade térmica e elétrica aumentam
Limite de alongamento cai, ductilidade aumenta
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• Mecanismo 1
• Mecanismo 2
Recuperação
anulação reduz a densidade de discordâncias
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• Mecanismo 3: alinhamento de discordâncias formando
 contornos de baixo ângulo
Recuperação
Discordâncias em monocristal de LiF, polido e atacado quimicamente 
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• Novos cristais são formados:
 menor densidade de discordâncias e menor tamanho de grão
 os cristais deformados a frio são “consumidos” e desaparecem.
Latão deform.
33% a frio
Novos cristais
surgem após
3 seg. a 580oC
Adapted from Fig. 7.19 (a),(b), Callister 6e. (Fig. 7.19 (a),(b) are courtesy of J.E. Burke, General Electric Company.)
0,6 mm
0,6 mm
Recristalização: o início
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Recristalização: continuação
• Todos os cristais encruados desaparecem
Após 4
segundos
Após 8
segundos
Adaptado da Fig. 7.19 (c),(d), Callister 6ed. 
0,6 mm
0,6 mm
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• Tempo: grãos maiores crescem consumindo os menores 
• Força motriz: menor área de contorno = menor energia
Crescimento dos Grãos
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• Preciptados duros são difíceis de cisalhar
Ex: Cerâmicos em metais (SiC em Ferro ou Alumínio).
• Resultado:
Endurecimento por precipitação
Parte do plano que não escorregou
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Endurecimento por precipitação
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Endurecimento por precipitação
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• Estrutura interna da asa de um avião
• O alumínio é endurecido por precipitados formados por elementos de liga.
Adaptado da Fig. 11.26, Callister 7ed. 
Adaptado da figura de abertura do Cap. 11, Callister 5ed. 
Endurecimento por precipitação
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Discordâncias
 Aumento de Resistência
Discordâncias em monocristal de LiF, polido e atacado quimicamente 
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