07 Deformação Plástica (1)

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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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 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 
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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 
 
 
 
 
 
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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. 
 
 
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 
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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 
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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) 
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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 
27 
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 
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 - 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 
 
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 
 
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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)