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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) 7 MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS Plano de escorregamento Direção de escorregamento Uma distância interatômica 8 MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM CUNHA E EM HÉLICE 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. 11 INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS ATRAÇÃO REPULSÃO 12 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 13 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 14 CFC: {111}<110> (mínimo 12 sistemas de escorregamento) Planos: {111}= 4 Direções: 3 para cada plano 15 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 16 Maclas 17 As maclas são um tipo de defeito de superfície e podem ser causadas por tensões térmicas ou mecânicas e são mais comuns em materiais com estrutura CFC, tais como o cobre. Essas tensões podem causar uma reorientação da microestrutura entre dois planos “espelhos”, resultando em uma orientação mais propícia para o escorregamento de planos. Maclas 18 Maclas 19 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 20 INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM SOLUÇÕES SÓLIDAS 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 21 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 22 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. 23 Dependência da tensão de escoamento com o tamanho de grão esc= o + Ke (d) -1/2 EQUAÇÃO DE HALL-PETCH o (MPa)e Ke (MPa.mm^0,5 são constantes d= tamanho médio do grão (mm) Essa equação não é válida para grãos muito grosseiros ou muito pequenos 24 EXERCÍCIOS 1) Um aço pode, através de tratamentos térmicos ou termomecânicos, apresentar diversos tamanhos de grão. Calcule a diferença no limite de escoamento de um aço que apresenta na situação A, tamanho de grão ASTM 7 e na situação B, tamanho de grão ASTM 5. Dados: Este aço será utilizado a temperatura ambiente; Utilize a equação de Hall-Petch; o = 260 Mpa e Ke = 50 Mpa.mm 0,5 2) Para o mesmo aço, estime o tamanho de grão ASTM para uma tensão de escoamento igual a 650 Mpa. 25 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 maioré a força necessária para produzir uma maior deformação O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização) 26 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 27 ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA Antes da deformação Depois da deformação 28 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 29 MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO ESTÁGIOS: Recuperação Recristalização Crescimento de grão 30 MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO Ex: Latão 31 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) 32 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 33 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 34 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 35 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 36 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 37 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 38 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 39 VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES EM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTO 40 FALHA OU RUPTURA NOS METAIS Fratura Fluência Fadiga 41 A engenharia e ciência dos materiais tem papel importante na prevenção e análise de falhas em peças ou componentes mecânicos. 42 FRATURA Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido à aplicação de uma carga estática à temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do material 43 FRATURA Dúctil a deformação plástica continua até uma redução na área para posterior ruptura (É OBSERVADA EM MATERIAIS CFC) Frágil não ocorre deformação plástica, requerendo menos energia que a fratura dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no material (É OBSERVADA EM MATERIAIS CCC E HC) O tipo de fratura que ocorre em um dado material depende da temperatura 44 FRATURA Fraturas dúcteis Fratura frágil 45 FRATURA DÚCTIL E ASPECTO MACROSCÓPICO 46 MECANISMO DA FRATURA DÚCTIL a- formação do pescoço b- formação de cavidades c- coalescimento das cavidades para promover uma trinca ou fissura d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação à tensão aplicada e- rompimento do material por 47 FRATURA DÚCTIL E ASPECTO MICROSCÓPICO 48 FRATURA FRÁGIL ASPECTO MACROSCÓPICO A fratura frágil (por clivagem) ocorre com a formação e propagação de uma trinca que ocorre a uma direção perpendicular à aplicação da tensão 49 FRATURA FRÁGIL ASPECTO MACROSCÓPICO Início da fratura por formação de trinca 50 FRATURA TRANSGRANULAR E INTERGRANULAR TRANSGRANULAR INTERGRANULAR A fratura passa através do grão A fratura se dá no contorno de grão 51 EXEMPLO DE FRATURA SOB TRAÇÃO EM MATERIAIS COMPÓSITOS Ex: Liga de alumínio reforçada com partículas de SiC e Al2O3 A fratura da partícula se dá por clivagem, ou seja, ocorre ao longo de planos cristalográficos específicos 52 Transição dúctil-frágil A ductilidade dos materiais é função da temperatura e da presença de impurezas. Materiais dúcteis se tornam frágeis a temperaturas mais baixas. Isto pode gerar situações desastrosas caso a temperatura de teste do material não corresponda a temperatura efetiva de trabalho. Ex: Os navios tipo Liberty, da época da 2ª Guerra, que literalmente quebraram ao meio. Eles eram fabricados de aço com baixa concentração de carbono, que se tornou frágil em contato com as águas frias do mar. 53 Transição dúctil-frágil (cont.) Temperatura (ºC) Temperatura (ºC) Aços com diferentes concentrações de carbono Aços com diferentes concentrações de manganês Teste de impacto (Charpy) Um martelo cai como um pêndulo e bate na amostra, que fratura. A energia necessária para fraturar, a energia de impacto, é obtida diretamente da diferença entre altura final e altura inicial do martelo. Martelo Posição inicial Amostra Posição final h h’ 55 Você deseja determinar a temperatura de transição frágil-dúctil de um aço. Foram feitos 15 ensaios de impacto a cinco temperaturas diferentes (três ensaios por temperatura), segundo a tabela indicada abaixo. O pêndulo do ensaio de impacto cai de uma altura inicial de 80cm, e a tabela mostra a altura final atingida pelo pêndulo a cada ensaio. Determine a temperatura de transição a partir desses dados experimentais, que será definida pela energia média entre as energias do “patamar frágil” e do “patamar dúctil”. 56 RESPOSTA 57 FLUÊNCIA (CREEP) Quando um metal é solicitado por uma carga, imediatamente sofre uma deformação elástica. Com a aplicação de uma carga constante, a deformação plástica progride lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e ruptura do material Velocidade de fluência (relação entre deformação plástica e tempo) aumenta com a temperatura Esta propriedade é de grandeimportância especialmente na escolha de materiais para operar a altas temperaturas 58 FLUÊNCIA (CREEP) Então, fluência é definida como a deformação permanente, dependente do tempo e da temperatura, quando o material é submetido à uma carga constante Este fator muitas vezes limita o tempo de vida de um determinado componente ou estrutura Este fenômeno é observado em todos os materiais, e torna-se importante à altas temperaturas (0,4TF) 59 FLUÊNCIA (CREEP) FATORES QUE AFETAM A FLUÊNCIA Temperatura Módulo de elasticidade Tamanho de grão Em geral: Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de elasticidade e maior é a resist. à fluência. Quanto maior o o tamanho de grão maior é a resist. à fluência. 60 ENSAIO DE FLUÊNCIA É executado pela aplicação de uma carga uniaxial constante a um corpo de prova de mesma geometria dos utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura elevada e constante O tempo de aplicação de carga é estabelecido em função da vida útil esperada do componente Mede-se as deformações ocorridas em função do tempo ( x t) 61 Curva x t Estágio primário: ocorre um decréscimo contínuo na taxa de fluência ( = d/dt), ou seja, a inclinação da curva diminui com o tempo devido ao aumento da resistência por encruamento. 62 Curva x t Estágio secundário: a taxa de fluência ( = d/dt) é constante (comportamento linear). A inclinação da curva constante com o tempo é devido à 2 fenômenos competitivos: encruamento e recuperação. O valor médio da taxa de fluência nesse estágio é chamado de taxa mínima de fluência (m), que é um dos parâmetros mais importantes a se considerar em projeto de componentes que deseja-se vida longa. 63 Curva x t Estágio terciário: ocorre uma aceleração na taxa de fluência ( = d/dt) que culmina com a ruptura do corpo de prova. A ruptura ocorre com a separação dos contornos de grão, formação e coalescimento de trincas, conduzindo a uma redução de área localizada e consequente aumento da taxa de deformação 64 PERGUNTAS Por quê um tamanho de grão grande favorece uma maior resistência à fluência? O que significa temperatura equicoesiva (TEC)? 65 RESPOSTAS 1) Materiais com um tamanho de grão pequeno, ter-se-á uma maior área superficial de contornos e, com isso, mais contornos poderão apresentar um possível escorregamento relativo, facilitando assim a formação de pontos triplos e/ou microvazios e consequentemente o surgimento de uma microtrinca. 2) É a temperatura onde ocorre a inversão do efeito dos contornos de grão sobre a resistência dos materiais sob o efeito da fluência. 66 FADIGA É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas Nessas situações o material rompe com tensões muito inferiores à correspondente à resistência à tração (determinada para cargas estáticas) É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões, componentes de máquinas A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis. 67 FADIGA A fratura ou rompimento do material por fadiga geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca. A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição e/ou de alta concentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície) A superfície da fratura é geralmente perpendicular à direção da tensão à qual o material foi submetido 68 FADIGA Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser: Tração Tração e compressão Flexão Torção,... 69 RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA CURVA -N OU CURVA WOHLER A CURVA -N REPRESENTA A TENSÃO VERSUS NÚMERO DE CICLOS PARA QUE OCORRA A FRATURA. Normalmente para N utiliza-se escala logarítmica 70 PRINCIPAIS RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA Limite de resistência à fadiga (Rf): em certos materiais (aços, titânio,...) abaixo de um determinado limite de tensão abaixo do qual o material nunca sofrerá ruptura por fadiga. Para os aços o limite de resistência à fadiga (Rf) está entre 35-65% do limite de resistência à tração. 71 PRINCIPAIS RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA Resistência à fadiga (f): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá a falha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al, Mg, Cu,...). Nesse caso a fadiga é caracterizada por resistência à fadiga 72 PRINCIPAIS RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA Vida em fadiga (Nf): corresponde ao número de ciclos necessários para ocorrer a falha em um nível de tensão específico. 73 FATORES QUE INFLUENCIAM A VIDA EM FADIGA Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva a uma diminuição da vida útil Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agúdo e demais descontinuidades podem levar a concentração de tensões e então a formação de trincas) e tratamentos superficiais (polimento, jateamento, endurecimento superficial melhoram significativamente a vida em fadiga) Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na temperatura) e fadiga por corrosão (ex. pites de corrosão podem atuar como concentradores de corrosão)
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