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1 Introdução à Ciência e Tecnologia dos Materiais Discordâncias e Mecanismos de Aumento da Resistência – Capítulo 7 Cursos de Graduação em Engenharia de Produção, Mecânica e Civil Por que estudar? � O conhecimento da natureza das discordâncias e do papel que elas exercem na deformação plástica permite entender os mecanismos utilizados para aumentar a resistência e para endurecer os metais e as suas ligas. � Isto permite projetar e adaptar as propriedades mecânicas dos materiais para alcançar o desempenho desejado. � Cabe destacar que as discordâncias são responsáveis pela ductilidade dos metais. � Além disso, a presença de discordâncias também influencia as propriedades eletrônicas e ópticas dos materiais. 2 Introdução Relembrando... � Existem 2 regimes de deformação: elástico e plástico; � Resistência e dureza: medidas da resistência do material à deformação plástica (irreversível); � Nos sólidos cristalinos, a deformação envolve, na maioria das vezes, o movimento das discordâncias. Introdução � Os primeiros estudos dos materiais levaram ao cálculo das resistências teóricas de cristais perfeitos, através das forças de ligação entre os átomos. Contudo, na prática, a resistência medida apresentava um valor inferior ao teórico (nos metais, este valor é 103-104 vezes menor do que a resistência teórica). � 1930: Foi postulado que essa diferença se deve à existência de defeitos lineares na estrutura cristalina dos materiais, as discordâncias. Contudo, tais defeitos só foram observados diretamente em 1950, com o auxílio de um microscópio eletrônico. 3 Conceitos básicos � Tipos de discordâncias: a) Discordância em aresta b) Discordância em espiral c) Discordância mista Conceitos básicos Discordância em aresta (cunha) � Semiplano extra de átomos, que causa uma distorção localizada da rede cristalina ao longo de sua extremidade. � A aresta deste plano define a linha de discordância. 4 Conceitos básicos Discordância em espiral (hélice) � Resultado de uma distorção provocada por uma tensão cisalhante aplicada. � A linha de discordância passa pelo centro de uma rampa de plano de átomos em espiral. Conceitos básicos Discordância mista Representação esquemática de uma discordância que possui características em aresta, espiral e mista. Vista superior 5 Conceitos básicos A deformação plástica macroscópica corresponde à deformação permanente que resulta do movimento de um grande número de discordâncias (escorregamento), em resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento. Conceitos básicos � 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. 6 Conceitos básicos � Apesar de uma tensão aplicada poder ser de tração ou de compressão, existem componentes de cisalhamento em todas a direções, exceto nas direções paralelas e perpendiculares à direção da tensão. Representação esquemática mostrando as tensões normal (σ’) e cisalhante (τ’) que atuam em um plano orientado segundo um ângulo θ em relação ao plano tomado perpendicularmente à direção ao longo da qual é aplicada uma tensão puramente de tração (σ). Conceitos básicos � Escorregamento: processo segundo o qual uma deformação plástica é produzida pelo movimento de uma discordância, em resposta à aplicação de uma tensão cisalhante. � Plano de escorregamento: plano cristalográfico ao longo do qual a discordância passa. 7 Conceitos básicos Uma discordância em aresta se move em resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento perpendicular à sua linha. Ao final do processo, esse semiplano extra pode emergir na superfície do cristal, formando uma aresta que possui a largura de uma distância atômica. Conceitos básicos � O movimento de uma discordância se dá de forma discreta (pequenos deslocamentos por vez). O movimento de um plano inteiro de uma vez exigiria uma imensa quantidade de energia para ser realizado. Ou seja, o material se deforma através do movimento das discordâncias porque este é um processo energeticamente favorável. 8 Discordância em aresta Discordância em aresta 9 Discordância em aresta Discordância em aresta 10 Discordância em aresta Movimento paralelo à tensão cisalhante Conceitos básicos O movimento de uma discordância espiral em resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento é perpendicular à direção da tensão. 11 Formação de discordância por cisalhamento. (a) Discordância em cunha. (b) Discordância helicoidal. (c) Discordância mista. Conceitos básicos � Densidade de discordâncias (número de discordâncias): - comprimento total de discordâncias/volume (mm/mm³); - número de discordâncias/área (discordâncias/mm²). Material Densidade de discordâncias (mm-2) Metais cuidadosamente solidificados 10³ Metais altamente deformados 109 - 1010 Metais recozidos 105 - 106 Cerâmicas 102 - 104 Monocristal de Si 0,1 - 1 12 Características das discordâncias � Quando os metais são deformados plasticamente, aproximadamente 5% da energia é retida internamente; o restante é dissipado na forma de calor. � A maior parte desta energia é armazenada como energia de deformação associada às discordâncias Características das discordâncias � Discordância em aresta: Existe uma distorção na rede cristalina ao redor do semiplano, onde são impostas deformações de tração (região amarela) e de compressão (região verde). Também existem deformações de cisalhamento na vizinhança da discordância. Esta distorção tem sua magnitude reduzida em função da distância radial a partir da discordância. � Discordância em espiral: as deformações da rede são puramente cisalhantes. Estas distorções da rede podem ser consideradas como campos de deformação. 13 Características das discordâncias � Os campos de deformação ao redor de discordâncias próximas podem interagir de tal forma que são impostas forças sobre cada discordância em consequência das interações combinadas de todas as suas discordâncias vizinhas. � Para um mesmo plano de escorregamento: - Discordâncias com mesmo sinal: repulsão; - Discordâncias com sinais opostos: atração e aniquilação (dois semiplanos se alinham para formar um plano completo). 14 Características das discordâncias � Durante a deformação plástica, o número de discordâncias aumenta drasticamente. Uma fonte importante de novas discordâncias são as discordâncias já existentes, que se multiplicam. � Defeitos cristalinos e irregularidades da superfície atuam como concentradores de tensão e podem servir como sítios para a formação de discordâncias durante a deformação. A capacidade de deformação plástica de um material dependerá dos seus mecanismos de multiplicação de discordâncias e da facilidade do movimento das mesmas. Sistemas de escorregamento � As discordâncias não se movem com o mesmo grau de facilidade em todos os planos e direções: existe um plano preferencial e nesse plano existem direções específicas ao longo das quais ocorre o escorregamento. � Esta combinação entre o plano de escorregamento e a direção de escorregamento é denominada sistema de escorregamento. 15 Sistemas de escorregamento � O sistema de escorregamento depende da estrutura cristalina do material e é aquele ondea distorção da rede causada pelo movimento da discordância é menor. O movimento das discordâncias ocorre ao longo dos planos e direções mais compactos. Sistemas de escorregamento � Exemplo: Na estrutura cristalina CFC, os planos da família {111} e as direções da família <110> compõem o sistema de escorregamento para esta estrutura. Um dado plano de escorregamento pode conter mais do que uma única direção de escorregamento. 16 Sistemas de escorregamento Os metais com estrutura CCC e CFC possuem número relativamente grande de sistemas de escorregamento e, portanto, são mais dúcteis do que os metais HC, que são frágeis. Sistemas de escorregamento Alguns sistemas de escorregamento para as estruturas CCC e HC só podem se tornar operativos em temperaturas elevadas. 17 Escorregamento em monocristais Escorregamento em monocristais � Escorregamento ocorre ao longo de vários planos e direções equivalentes, com orientação favorável à tensão aplicada. Isto ocorre ao longo de todo o comprimento da amostra. � Resultado: formação de pequenos degraus paralelos sobre a superfície do monocristal, resultantes da movimentação de um grande número de discordâncias ao longo do mesmo plano de escorregamento. 18 Escorregamento em monocristais � Sobre a superfície de uma amostra monocristalina polida, os degraus aparecem como linhas, que são denominadas de linhas de escorregamento. Escorregamento em um monocristal de zinco. Monocristal de zinco deformado plasticamente, mostrando bandas/linhas de escorregamento: (a) vista frontal do cristal, (b) vista lateral do cristal, (c) vista lateral esquemática, indicando os planos basais de escorregamento no cristal HC e (d) indicação dos planos basais de escorregamento na célula unitária HC. 19 Deformação plástica em materiais policristalinos Deformação plástica em materiais policristalinos � Como cada grão possui uma orientação particular e aleatória, a direção do escorregamento varia de um grão para o outro. � Para cada grão, o movimento das discordâncias ocorre ao longo do sistema de escorregamento com orientação mais favorável à tensão aplicada. � Diferença no alinhamento das linhas de escorregamento indica a variação na orientação dos grãos. Amostra de cobre policristalina deformada plasticamente. 20 Deformação plástica em materiais policristalinos � Em um material policristalino, a deformação plástica generalizada corresponde à distorção dos grãos individuais por meio do escorregamento. � Durante a deformação, a coesão entre os grãos não se perde (os contornos não se rompem nem se abrem). Consequência: a deformação de um grão fica restrita à deformação dos seus vizinhos. Deformação plástica em materiais policristalinos Grãos equiaxiais (mesmo tamanho em todas as direções) Grãos alongados ao longo da direção de aplicação da tensão. 21 Deformação plástica em materiais policristalinos � Isto ocorre, em grande parte, devido às restrições geométricas impostas sobre os grãos durante a deformação. Os metais policristalinos são mais resistentes do que os seus equivalentes monocristalinos, ou seja, são exigidas maiores tensões para se iniciar o escorregamento nestes materiais. Condições para deformação plástica pelo movimento das discordâncias � 1: Existência de tensões de cisalhamento acima de certo valor mínimo. � 2: Alta densidade de discordâncias e existência de mecanismos de multiplicação de discordâncias. � 3: Facilidade de movimento das discordâncias. 22 Deformação por maclação Deformação por maclação � Além do escorregamento, a deformação plástica em alguns metais também pode ocorrer por maclação (formação de maclas). � Uma força de cisalhamento pode produzir deslocamentos atômicos tal que em um dos lados de um plano os átomos ficam localizados em posição de imagem de espelho em relação aos átomos no outro lado do plano. 23 Deformação por maclação � A maclação ocorre em um plano cristalográfico definido e uma direção específica, que depende da estrutura do cristal. Deformação por maclação ESCORREGAMENTO MACLAÇÃO As maclas de deformação ocorrem em metais com estruturas cristalinas CCC e HC, em baixas temperaturas e sob taxas de carregamento elevadas, ou seja, condições em que o escorregamento é restringido. 24 Deformação por maclação � A maclação é importante apenas para os materiais que tem dificuldades para movimentar as discordâncias. � A maclação pode colocar novos sistemas de escorregamento em orientações que sejam favoráveis em relação ao eixo de tensão, de tal forma que o processo de escorregamento possa ocorrer. Mecanismos de aumento da resistência em metais 25 Mecanismos de aumento da resistência em metais � A habilidade de um metal se deformar plasticamente depende da habilidade de as discordâncias se moverem. � A resistência e a dureza estão relacionadas à facilidade pela qual a deformação plástica pode ser induzida. � Mecanismos de aumento da resistência baseiam-se na restrição ou impedimento ao movimento das discordâncias. Mecanismos de aumento da resistência em metais � Serão discutidos a seguir os mecanismos de aumento da resistência para metais monofásicos: 1 – Redução do tamanho de grão; 2 – Formação de solução sólida; 3 – Encruamento. É possível controlar a resistência de um material controlando o número e o tipo de imperfeições. 26 1 – Redução do tamanho de grão � Durante a deformação plástica, o escorregamento (movimento das discordâncias) deve ocorrer através do contorno, que atua como uma barreira a este movimento. 1 – Redução do tamanho de grão � Motivos pelos quais isto corre: 1 – Para passar de um grão para o outro, a discordância terá que mudar a direção do seu movimento. Quanto maior o grau de desorientação entre os grãos, mais difícil isto será. 2 – A falta de orientação atômica em uma região do contorno irá resulta em uma descontinuidade de planos de escorregamento de um grão para outro. 27 1 – Redução do tamanho de grão � Para contornos de alto ângulo, as discordâncias tendem a se acumular nos contornos. Isto introduz concentrações de tensão e gera novas discordâncias em grãos adjacentes. Um material com granulação fina é mais duro e mais resistente do que um material com granulação grosseira, pois o primeiro possui maior área total de contornos de grão para impedir o movimento das discordâncias. 1 – Redução do tamanho de grão Tamanho de grão, d (mm) d-1/2 (mm-1/2) T e n s ã o d e e s c o a m e n to ( M P a ) T e n s ã o d e e s c o a m e n to ( k s i) 28 1 – Redução do tamanho de grão � Considerações gerais: - A diminuição do tamanho de grão também melhora a tenacidade de muitas ligas. - Os contornos de baixo ângulo não são eficazes em interferir no processo de escorregamento. - Contornos de macla e contornos entre fases também bloqueiam o movimento das discordâncias. 2 – Solução sólida � Os metais com pureza elevada são quase sempre mais deformáveis e menos resistentes do que as ligas compostas pelo mesmo metal base. � As ligas são mais resistentes do que os metais puros, porque os átomos de impurezas impõem uma distorção na rede sobre os átomos vizinhos. O campo de deformação das discordâncias interage com estas regiões distorcidas pela introdução das impurezas e, consequentemente, o movimento das discordâncias é restringido. 29 ÁTOMO DE IMPUREZA SUBSTITUCIONAL DE MENOR TAMANHO ÁTOMO DE IMPUREZA SUBSTITUCIONAL DEMAIOR TAMANHO Esses átomos de soluto tendem a se difundir e a se segregar ao redor das discordâncias, a fim de reduzir a energia de deformação global. Variação do (a) Limite de resistência à tração, (b) Limite de escoamento e (c) Ductilidade em função do teor de níquel para ligas de cobre-níquel, mostrando o aumento da resistência. 30 � Influência da diferença de tamanho atômico � Influência da quantidade de elemento de liga adicionada Porcentagem de elemento de liga T en sã o d e es co a m en to ( p si ) Efeitos de vários elementos de liga sobre a resistência ao escoamento do cobre. 3 - Encruamento � O encruamento é o fenômeno segundo o qual um metal dúctil se torna mais duro e mais resistente quando é deformado plasticamente. Também é chamado de “endurecimento por trabalho a frio”. � Algumas vezes, torna-se conveniente expressar o grau de deformação plástica como porcentagem de trabalho a frio (%TF ou %CW): Em relação à temperatura absoluta de fusão 31 3 - Encruamento � Demonstração do encruamento no gráfico σxε: 1 - Inicialmente: metal com limite de escoamento σy0 é deformado até o ponto D; 2 - A tensão é removida e reaplicada; 3 – Nova tensão de escoamento: σyi. O metal ficou mais resistente, pois σyi>σy0. 3 - Encruamento Aumento da resistência pelo aumento da densidade de discordâncias – Trabalho a frio ou encruamento. 32 3 - Encruamento Influência do trabalho a frio (CW) sobre o comportamento tensão- deformação de um aço com baixo teor de carbono. Estão mostradas as curvas para 0%CW, 4%CW e 24%CW. 3 - Encruamento (a) Aumento no limite de escoamento, (b) aumento no limite de resistência à tração e (c) redução da ductilidade em função da porcentagem de trabalho a frio (cold work) para o aço 1040 (1040 steel), latão (brass) e cobre (copper). 33 3 - Encruamento � Exemplo: Uma chapa de cobre com 1 cm de espessura é reduzida, por meio de trabalho a frio, a 0,50 cm e, sequencialmente, a 0,16 cm. Determine o percentual total de trabalho a frio e o LRT da chapa com 0,16 cm de espessura. 3 - Encruamento � É possível prever as propriedades de um metal ou liga se nós soubermos a quantidade de trabalho a frio a qual este foi submetido durante o seu processamento. � Quando desejamos selecionar um material para um componente que requer certas propriedades mecânicas mínimas, podemos projetar o processo de deformação. 34 3 - Encruamento Conforme o metal é deformado, a densidade de discordâncias aumenta drasticamente, devido à multiplicação das discordâncias. Resultado: a distância de separação entre as discordâncias diminui. Como consequência da interação entre os campos destas discordâncias, o movimento de uma pode ser dificultado pela presença da discordância vizinha. 3 - Encruamento � Quanto maior for a porcentagem de trabalho a frio, maior será a quantidade de discordâncias e maior será a resistência que as próprias discordâncias impõem ao movimento das outras. Consequentemente, maior será a tensão necessária para deformar o metal. � A presença de discordâncias aumenta a energia interna total da estrutura. Desta forma, quanto maior for a porcentagem de trabalho a frio, maior será o nível de energia total do material. 35 Processos de fabricação usados para modificar, simultaneamente, a forma e a resistência de um material através do trabalho a frio: a) Laminação b) Forjamento c) Extrusão d) Trefilação 3 - Encruamento � Laminação: o material é forçado a passar entre cilindros que giram com direções contrárias. � Forjamento: deforma o material dentro da cavidade de uma matriz, produzindo formas relativamente complexas. � Extrusão: o material é forçado através de uma matriz por meio de um esforço compressivo. � Trefilação: o material é puxado através da matriz para produzir arames, fios ou tubos. 36 3 - Encruamento � O encruamento nos metais causa alongamento preferencial (textura) dos grãos na direção da tensão aplicada. ESTADO INICIAL ESTADO DEFORMADO Considerações finais 37 Considerações finais � As técnicas de aumento da resistência podem ser usadas em conjunto com qualquer uma das demais. � Os efeitos do aumento da resistência por redução do tamanho de grão ou pelo encruamento podem ser eliminados ou reduzidos mediante a um tratamento térmico de recozimento. � O aumento da resistência por solução sólida não é afetado por nenhum tratamento térmico. Recozimento: Recuperação, Recristalização e Crescimento de grão 38 Recozimento � Alterações sofridas como consequência da deformação plástica: aumento da densidade de discordâncias, encruamento e modificação na forma dos grãos. � Estas propriedades e estruturas podem ser revertidas aos seus estados anteriores ao trabalho a frio mediante ao tratamentotratamento térmicotérmico dede recozimentorecozimento. � A restauração das propriedades ocorre mediante a dois processos que ocorrem em temperaturas elevadas: recuperação e recristalização, que podem ser seguidas pelo crescimento de grão. Efeito do trabalho a frio sobre as propriedades de uma liga Cu-35%Zn e o efeito da temperatura de recozimento sobre as propriedades da mesma liga contendo 75% de trabalho a frio. 39 1 - Recuperação � Uma parte da energia de deformação armazenada é liberada através do movimento das discordâncias (devido à difusão, resultado da maior mobilidade dos átomos em temperaturas elevadas). � As propriedades físicas são recuperadas aos seus estados originais. Ex: condutividade elétrica e térmica. � Força motriz: redução da energia interna armazenada durante o processo de trabalho a frio. 1 - Recuperação � Durante a etapa de recuperação há alguma redução do número de discordâncias e são produzidas configurações de discordâncias que possuem baixa energia de deformação, formando subgrãos, separados por contornos de baixo ângulo. � Este processo de rearranjo das discordâncias formando subgrãos é chamado de poligonização. 40 2 - Recristalização � Mesmo após a recuperação, a energia de deformação ainda é alta. � A recristalização consiste na formação de um novo conjunto de grãos equiaxiais (que possuem dimensões aproximadamente iguais em todas as direções) e livres de deformação, a partir de cristais previamente deformados. � Propriedades mecânicas são recuperadas aos valores anteriores ao trabalho a frio. � Força motriz para o processo: diferença de energia entre as energias internas do material deformado e não deformado. 2 - Recristalização � Os novos grãos se formam como núcleos muito pequenos e crescem até consumir por completo o material de origem, através de processos que envolvem difusão em curto alcance. Representação esquemática da recristalização. (a) Início da recristalização, (b) 30% de recristalização e (c) recristalização completa. 41 A recristalização depende do tempo! ↑Tempo↓Temperatura de recristalização � Vários estágios da recristalização e do crescimento do grão no latão: (a) Estrutura dos grãos trabalhados a frio (33%TF). (b) Estágio inicial da recristalização, após aquecimento durante 3s a 580ºC. (c) Substituição parcial dos grãos trabalhados a frio por grãos recristalizados (4s a 480ºC). (d) Recristalização completa (8s a 580ºC). (e) Crescimento dos grãos após 15 min a 580ºC. (f) Crescimento dos grãos após 10 min a 700ºC. Legenda do slide anterior 42 2 - Recristalização � Temperatura de recristalização: temperatura na qual a recristalização atinge seu términoem 1h. Tipicamente, a temperatura de recristalização encontra-se entre 1/3 e ½ da temperatura absoluta de fusão de um metal ou liga. � O encruamento melhora a taxa de recristalização, diminuindo a temperatura de recristalização, ou seja, o processo ocorre mais rapidamente. Há um grau de encruamento mínimo crítico (2-20%) abaixo do qual não ocorre recristalização. 2 - Recristalização Variação da temperatura de recristalização em função da porcentagem de trabalho a frio para o ferro. Para deformações menores que a crítica, a recristalização não irá ocorrer. 43 2 - Recristalização 3 – Crescimento do grão � Após a recristalização, os grãos livres de deformação continuarão a crescer se o metal for deixado a uma temperatura elevada. � O crescimento do grão independe da ocorrência da recuperação e da recristalização, ou seja, pode ocorrer em todos os materiais policristalinos submetidos a temperaturas elevadas. ↑ temperatura ↑rapidez do crescimento do grão. � Força motriz para o processo: redução da energia associada aos contornos, que é menor quanto maior for o tamanho de grão. 44 3 – Crescimento do grão � O crescimento dos grãos ocorre através da difusão de curto alcance dos átomos de um lado do contorno para o outro. � ↑temperatura ↑taxa de crescimento, pois a difusão é favorecida. Difusão atômica através do contorno Direção do movimento do contorno de grão Revisão: Efeitos da deformação plástica � Quais são as modificações causadas pela deformação plástica? 1 – Alteração na forma dos grãos; 2 – Aumento do número de discordâncias; 3 – Aumento da resistência mecânica; 4 – Diminuição da ductilidade; � Como reverter as modificações causadas pela deformação plástica? 1 – Alteração na forma dos grãos; 2 – Diminuição do número de discordâncias; 3 – Diminuição da resistência mecânica; 4 – Aumento da ductilidade; ENCRUAMENTO RECOZIMENTO ! 45 Revisão: Consequências do encruamento Metal não deformado 106-108 cm/cm3 Metal severamente encruado ~1012 cm/cm3 Grãos equiaxiais (mesmo tamanho em todas as direções) Grãos alongados ao longo da direção de aplicação da tensão. MICROESTRUTURA PROPRIEDADES MECÂNICAS Taxa de encruamento: expressa o quanto a resistência mecânica se altera em função da deformação plástica aplicada. Revisão: Recozimento � Influência do grau de deformação a frio; � Influência do tempo: nucleação e crescimento; � Influência da temperatura. 0,3-0,5 Tfusão 46 Referências � Callister Jr, W.D. (2008) Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 7a ed. Rio de Janeiro. LTC Editora. 705 p. � Van Vlack, Lawrence H. Princípios de ciência dos materiais. Tradução de Luiz Paulo Camargo Ferrão. São Paulo: Edgard Blücher, 2004. 427p. � Askeland, D. R.; Fulay, P. P.; Wright, W. J. (2011) The science and engineering of materials. 6ª ed. USA: Cengage Learning. 949 p.
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