17. Deformações plásticas e discordancias

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Discordâncias e Mecanismos 
de Aumento de Resistência
Deformação
• Nos primeiros estudos, os cálculos teóricos de resistência a
deformação indicavam valores muito maiores que os medidos na
prática (±10 vezes maiores);
• Consideravam apenas a quebra e reformação das ligações
(movimentação de planos);
• A teoria das discordâncias teve desenvolvimento a partir da década
de 30, mas só foi comprovada nos anos 50 (com o desenvolvimento
da microscopia eletrônica) e ajudou a elucidar esta diferença;
• Esta diferença entre valores se deve a presença e interação entre as
discordâncias;
Deformação Elástica
x Deformação Plástica
Deformação Plástica
• O mecanismo de deformação plástica é diferente para materiais
cristalinos e materiais amorfos;
• Materiais cristalinos -> a deformação plástica consiste
PREDOMINANTEMENTE no escorregamento de planos atômicos
através da movimentação de discordâncias;
• Materiais amorfos -> Escoamento viscoso (comportamento
viscoelástico entre cadeias poliméricas por exemplo).
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Deformação Plástica
• A deformação plástica macroscópica em materiais cristalinos ->
Deformação permanente -> Movimento das discordâncias, ou
escorregamento de planos densos, em resposta a aplicação de uma
tensão de cisalhamento.
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Discordâncias
• Defeitos lineares ou unidimensionais em torno do qual os planos
atômicos estão desalinhados;
• São defeitos onde existe uma linha separando a seção perfeita, da
seção deformada do material;
• As discordâncias tem seu surgimento associado com a cristalização e
a deformação;
• A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e
ruptura dos materiais;
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Discordâncias
• A formação de um degrau sobre a superfície de um cristal pelo
movimento de (a) uma discordância aresta e (b) uma discordância em
hélice.
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Discordâncias
• Discordâncias existem em materiais cristalinos.
• Materiais cerâmicos apresentam estruturas cristalinas mais
complexas e ligações mais direcionais -> discordâncias imóveis;
• A movimentação das discordâncias é o principal fator por trás da
deformação plástica de materiais cristalinos;
• A mobilidade de discordâncias pode ser alterada por diversos fatores
(composição, processamento…) -> manipulação das propriedades
mecânicas do material;
• Discordâncias afetam outras propriedades do material, além das
mecânicas (Ex: propriedades elétricas nos semicondutores);
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Movimentação das Discordâncias
• O processo de deformação plástica pela movimentação de planos
atômicos é chamado de escorregamento;
• As discordâncias se movem por Planos de Escorregamento:
• Metais:
Fácil movimentação de discordâncias
Ligação não direcional
Direção compacta para escorregamento.
Carolina
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Movimentação das Discordâncias
• Cerâmica (com alto caráter covalente) (Si, diamante):
Movimentação difícil.
Ligações direcionais
Movimentação das Discordâncias
• Cerâmica (com caráter iônico) (NaCl):
Movimentação difícil.
Precisa evitar ++ e -- vizinhos.
Movimentação das Discordâncias
• Analogia entre a movimentação de uma lagarta e de uma
discordância.
Movimentação da Discordância 
Aresta
• Quando a discordância se movimenta no plano de deslizamento, que
são normalmente os planos de maior densidade atômica, diz-se que o
movimento é CONSERVATIVO;
Ex: Deformação plástica produzida pela movimentação de uma
discordância em cunha.
Movimentação da Discordância 
Aresta
• Deformação plástica produzida pela movimentação de uma
discordância aresta:
Movimentação da Discordância 
Aresta
• Se o movimento da discordância se der perpendicularmente ao vetor
de Burgers, diz-se que o movimento é NÃO CONSERVATIVO;
• Movimento de escalada ou ascensão da discordância;
Ex: Ascensão de uma discordância aresta.
Movimentação da Discordância 
Aresta
• Ascensão de uma discordância aresta, observe a aniquilação de
lacunas:
Deformação Plástica
• Direção conservativa de movimentação das discordâncias:
• Aresta -> paralela a tensão aplicada
• Espiral -> perpendicular a tensão aplicada
• A direção da movimentação é dada pelo vetor de burgers (b)
• Deformação plástica depende diretamente da densidade de
discordâncias (cm/cm3)
• Densidades 103 (metal cuidadosamente solidificado) 109 - 1010 (metal
altamente deformado) 105 - 106 (comum)
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Discordâncias
• As discordâncias geram uma distorção do retículo atômico ao redor
da linha de discordância;
• Devido à presença do semi-plano adicional de átomos;
• Na deformação do material:
5 % da energia é usada pela estrutura na forma de energia de
deformação -> associada as discordâncias;
95 % da energia é perdida na forma de calor (energia liberada).
Discordâncias
• Regiões de compressão (parte superior) e tração (parte inferior)
localizadas ao redor de uma discordância aresta.
Interação entre Discordâncias
• Interação de campo de deformação de discordâncias próximas:
Repulsão
Atração (e consequente
Aniquilação)
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Interação entre Discordâncias
(a)Discordâncias aresta de mesmo sinal e localizadas sobre o mesmo
plano de escorregamento exercem uma força repulsiva sobre a outra;
(b)Discordâncias aresta com sinais opostos e localizadas sobre o
mesmo plano de escorregamento exercem uma força atrativa uma
sobre a outra;
• Os mecanismos de interação apresentados também são válidos para
as discordâncias em hélice;
Interação entre Discordâncias
• Durante a deformação plástica o número de discordâncias aumenta
drasticamente;
• As discordâncias se multiplicam no cristal;
• Com a deformação -> Multiplicação (geração) de (novas)
discordâncias, estas fontes de novas discordâncias podem ser:
Discordâncias;
Contornos de grão;
Defeitos internos;
Irregularidades na superfície (riscos, entalhes)
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Densidade de Discordâncias
• Comprimento total de discordâncias por unidade de volume / número
de discordâncias que interceptam uma área unitária de uma seção
aleatória:
• (mm de discordância/mm3 ou discordâncias/mm2)
• Cristais metálicos cuidadosamente solidificados→ 103 mm2
• metais altamente deformados→ 109 a 1010 mm2
• Tratamento térmico pode reduzir para 105 a 106 mm2
• Materiais cerâmicos (típicos) → 102 a 104 mm2
• Em monocristais de Silício usados em CI→ 0,1 a 104 mm2
Sistemas de Escorregamento
• As discordâncias não se movem com a mesma facilidade em todos os
planos cristalinos e em todas as direções cristalinas;
• A movimentação das discordâncias se dá preferencialmente através
de planos específicos;
• Dentro desses planos densos, os planos se movimentam em direções
específicas, ambos (plano e direção) com a maior densidade atômica
possível;
• Essa combinação de um plano e uma direção é chamada de SISTEMA
DE ESCORREGAMENTO (“slip system”).
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Sistemas de Escorregamento
• Dependem da estrutura cristalina do metal;
• A distorção atômica que acompanha o movimento de uma
discordância é mínima;
• Planos de escorregamento -> empacotamento mais denso (maior
densidade planar)
• Direções deste plano de escorregamento -> mais densamente
compactada (maior densidade linear)
Sistemas de Escorregamento
• O número de sistemas de escorregamento representa as diferentes
combinações possíveis de planos e direções de escorregamento;
• Um plano de escorregamento podeconter mais de uma direção de
escorregamento;
• Sistemas de Escorregamento podem se tornar operativos à
temperaturas elevadas;
Sistemas de Escorregamento - CFC
• 4 Planos compactos família {111} diferentes;
• Direção de escorregamento -> 3 direções dentro da família <110>
• Família de planos {111} + Família de direções <110> = Conjunto de
planos e direções de escorregamento (12 Sistemas de
escorregamento)
Sistemas de Escorregamento