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201 Resumo �Cronograma do Programa / Avaliações �Bibliografia Básica �Introdução a Metalurgia Física �Revisão Cristalografia �Átomos Intersticiais �Transformações de Fase �Precipitados •Mecanismos de Endurecimento •Deformação/Recuperação/Recristalização/Crescimento de Grão •Fatores que Influenciam a Textura cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 202 Precipitados • Tipos/Formas • Nucleação • Crescimento • Coalescimento • Dissolução de Precipitados • Precipitação em Tratamentos Térmicos e Termomecânicos • Interação dos Precipitados com Discordância • Controle no Crescimento de Grão (Precipitação Intergranular) Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 203 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Introdução O que ocorre quando o limite de solubilidade do soluto (substitucional e/ou instersticial) no solvente é ultrapassado? 204 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Tipo/Forma: Nucleação → Crescimento → Coalescimento Os precipitados podem se apresentar nas principais formas: a) Dispersos no formato de discos → esferas → agulhas b) Fileiras c) Fibras ∆G= -∆Gv + ∆Gs + ∆Gm v = volume s = superfície m = deformação ∆G= -A1r3 + A2r2 A1 e A2 constantes r = raio do precipitado Considerando ∆Gm = 0 205 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Dissolução de Precipitados Solução Sólida Substitucional: (a) ordenada, (b) não-ordenada. Solução Sólida Intersticial. O que ocorre com um precipitado quando a concentração de soluto (substitucional e/ou instersticial) no solvente está abaixo do limite de solubilidade? 206 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Solubilização e Envelhecimento/Precipitação 207 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Solubilização e Envelhecimento/Precipitação Solubilizada/ Temperada Resfriamento Lento X – Solução Sólida XA – Temperada, solução sólida saturada XD – Recozida, precipitados no contorno de grão AB – endurecimento por envelhecimento, início da precipitação (submicroscópico) AC – superenvelhecida, precipitados aglomerados Após um resfriamento lento os locais preferenciais para precipitação são os contornos de grão, regiões junto a discordâncias, ou seja, locais onde há a uma preferência de migração dos átomos solutos Após um resfriamento rápido não existe locais preferenciais para precipitação, pois é obtida um solução sólida supersaturada onde a concentração de soluto é a mesma em qualquer região no interior do grão. Sendo assim a precipitação durante o envelhecimento ocorre aleatoriamente dispersa no volume do grão. 208 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Solubilização e Envelhecimento/Precipitação Microestrutura de equilíbrio com o precipitado grosseiro θ nos contornos de grão Fina dispersão de precipitados no interior dos grãos. 100% solução sólida α e após a tempera solução sólida α superaturada de Cu 209 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Solubilização e Envelhecimento/Precipitação Dissolução dos Precipitados Solução Supersaturada Estabilidade de α α Saturada + CuAl2 Solubili -zação Envelhecimento 210 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Solubilização e Envelhecimento/Precipitação Fases de Transição 211 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Solubilização e Envelhecimento/Precipitação Fases de Transição Sequência de Precipitação Zonas G.P. = zonas de Guinier-Preston Interfaces coerentes com a matriz Aproximadamente duas camadas de átomos 212 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Solubilização e Envelhecimento/Precipitação 213 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Solubilização e Envelhecimento/Precipitação Tempo de Envelhecimento a uma dada Temperatura R e s i s t ê n c i a e D u r e z a Pico do envelhecimento (condição otimizada em tamanho e distribuição de precipitados para promover endurecimento) Solução Sólida Supersaturada Superenvelhecimento (coalescimento de precipitados) Sub-envelhecida (precipitados pequenos e em crescimento) 214 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Solubilização e Envelhecimento/Precipitação 215 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Solubilização e Envelhecimento/Precipitação Nível de tensões residuais na matriz devido a presença de precipitados dispersos de formatos distintos (discos → esferas → agulhas) 216 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Solubilização e Envelhecimento/Precipitação 217 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Revenido após Têmpera (Microestrutura Martensítica) O aquecimento da martensita permite a reversão do reticulado instável ao reticulado estável cúbico centrado, produz reajustamentos internos que aliviam as tensões e, além disso, uma precipitação de partículas de carbonetos que crescem e se aglomeram, de acordo com a temperatura e o tempo. Conforme a temperatura de revenido, verificam-se as seguintes transformações: - entre 25 e 100ºC, ocorre segregação ou uma redistribuição do carbono em direção a discordâncias; essa pequena precipitação localizada do carbono pouco afeta a dureza. O fenômeno é predominante em aços de alto carbono; - entre 100 e 250ºC – às vezes chamado 1º estágio do revenido – ocorre precipitação de carboneto de ferro do tipo epsilon, de fórmula Fe2-3C, e reticulado hexagonal; este carboneto pode estar ausente em aços de baixo carbono e de baixo teor em liga; a dureza Rockwell começa a cair, podendo chegar a 60; -entre 200 e 300ºC – às vezes chamado 2º estágio do revenido – ocorre transformação de austenita em bainita; a transformação em aços- carbono de médio e alto teor de carbono; a dureza Rockwell continua a cair; Continua no próximo slide ... 218 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Térmicos Revenido após Têmpera (Microestrutura Martensítica) Continuação ... - entre 250 e 350ºC – às vezes chamado 3º estagio do revenido – forma-se um carboneto metaestável, de fórmula Fe5C2; quando ocorre essa transformação, verifica-se em aços de alto carbono; a estrutura visível ao microscópio é uma massa escura, que era chamada “troostita”, denominação não mais utilizada; a dureza Rockwell continua caindo, podendo atingir valores pouco superiores a 50; - entre 400 e 600ºC, ocorre uma recuperação da subestrutura de discordâncias; os aglomerados de Fe3C passam a uma formaesferoidal, ficando mantida uma estrutura de ferrita fina acicular; a dureza Rockwell cai para valores variando de 45 a 25 (esta estrutura resultante tem sido chamada de “sorbítica”); - entre 500 e 600ºC, somente nos aços contendo Ti, Cr, Mo, V, Nb ou W, há precitação de carbonetos de liga; a transformação é chamada de “endurecimento secundário” ou 4º estágio do revenido; - finalmente, entre 600 e 700ºC, ocorre recristalização e crescimento de grão; a cementita precipitada apresenta a forma nitidamente esferoidal, a ferrita apresenta forma aquixial; a estrutura é frequentemente chamada “esferoidal” e caracteriza-se por ser muito tenaz e de baixa dureza, variando de 5 a 20 Rockwell. 219 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação em Tratamentos Termomecânicos 220 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Interação dos Precipitados com Discordâncias Em sua trajetória, uma discordância deve passar por precipitados ou se movimentar entres eles. Em qualquer um dos casos, pode-se demonstrar que deve haver um aumento de tensão para que as discordâncias se movimentem em um reticulado cristalino que contenha as partículas precipitadas. O mecanismo da figura acima foi proposto por Orowan, e, nesse caso, supõe-se que a discordância se tenha curvado, formando anéis em torno dos precipitados. Quando anéis adjacentes se encontram, eles se cancelam da mesma maneira que em uma fonte de Frank- Read. 221 Precipitados Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Controle no Crescimento de Grão (Precipitação Intergranular) Precipitados finos no contorno de grão são mais eficientes no controle do crescimento de grão 222 Resumo �Cronograma do Programa / Avaliações �Bibliografia Básica �Introdução a Metalurgia Física �Revisão Cristalografia �Átomos Intersticiais �Transformações de Fase �Precipitados �Mecanismos de Endurecimento •Deformação/Recuperação/Recristalização/Crescimento de Grão •Fatores que Influenciam a Textura cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 223 Mecanismos de Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Solução Sólida Exemplo para aços: Os elementos de liga dissolvidos na austenita podem atrasar tanto a nucleação como o crescimento da ferrita e da perlita. Além de poderem aumentar a dureza da ferrita por solução sólida ou pela precipitação de carbonetos, nitretos, carbonitretos, etc 224 Mecanismos de Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Solução Sólida Correlação entre a resistência mecânica e quantidade de Nióbio dissolvido na austenita de um aço com 0,5%C. 225 Mecanismos de Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Solução Sólida Produto de solubilidade de carbonetos e nitretos na austenita em função da temperatura. 226 Mecanismos de Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação / Envelhecimento (a) solução sólida α. (b) Envelhecido; a precipitação de β está apenas iniciada. Como, neste estágio, as duas estruturas são coerente, existe um campo de tensões ao redor do precipitado. (c) superenvelhecido. Tem-se duas fases distintas e não coerentes, α e β. Um número limitado de átomos soluto interferem ao máximo com o movimento das discordâncias na situação (b), ou seja, precipitados menores são mais efetivos no endurecimento por precipitação. 227 Mecanismos de Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Precipitação / Envelhecimento 228 Mecanismos de Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Dispersão de Segunda Fase Hornbogen definiu a microestrutura bifásica como uma fusão das três morfologias básicas das microestruturas com duas fases: duplex, dispersão e em rede. Por esse motivo, a microestrutura bifásica reúne as características topológicas peculiares de cada tipo de morfologia. Como ocorre com a microestrutura duplex, na bifásica as quantidades de grãos por volume das duas fases são iguais; logo, as razões entre os volumes dos grãos das duas fases, e entre suas frações em volume, devem ser iguais. Da microestrutura em dispersão tem se que na bifásica a segunda fase dura deve ser totalmente isolada pela fase-matriz macia, o que garante a ductilidade e a conformabilidade do material. Finalmente, da mesma forma como ocorre com a microestrutura em rede, na bifásica a segunda fase se localiza exclusivamente nos contornos de grão da fase- matriz. 229 Mecanismos de Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Redução do Tamanho de Grão Titânio 2 1− += dkHH Ho H = dureza Ho = interseção da reta com o eixo das ordenadas kH = coefiente angular da reta d = tamanho do grão 230 Mecanismos de Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Redução do Tamanho de Grão Titânio 2 1− += kdoσσ σ = tensão de deformação plástica σo = interseção da reta com o eixo das ordenadas k = coefiente angular da reta d = tamanho do grão 231 Mecanismos de Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Redução do Tamanho de Grão Efeito do nitreto de alumínio (AlN) no tamanho de grão austenítico. 232 Mecanismos de Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Redução do Tamanho de Grão Efeito de microadições de Nb, V e Ti na resistência mecânica dos aços baixo carbono (C < 0,2%). Aços microligados são conhecidos como ARBL. 233 Mecanismos de Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Encruamento No trabalho a frio, por definição, os mecanismos de recuperação e recristalização não são operativos (veremos com mais detalhes nas próximas aulas). Neste caso, à proporção que o metal é deformado, ocorre o encruamento, isto é, a resistência aumenta e a ductilidade diminui. O mecanismo de encruamento envolve o aumento da densidade de discordâncias (defeitos de linha microscópicos, responsáveis pela deformação dos metais), bem como a diminuição de sua mobilidade. 234 Resumo �Cronograma do Programa / Avaliações �Bibliografia Básica �Introdução a Metalurgia Física �Revisão Cristalografia �Átomos Intersticiais �Transformações de Fase �Precipitados �Mecanismos de Endurecimento �Deformação/Recuperação/Recristalização/Crescimento de Grão •Fatores que Influenciam a Textura cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 235 Deformação • Quando a tensão supera a de escoamento iniciam-se as rupturas das ligações químicas e os movimentos atômicos no interior dos materiais. • Essa deformação é permanente e não modifica o reticulado atômico já que os movimentos são sempre de um número inteiro de parâmetros de rede • Como os átomos tem uma tendência a rolarem uns sobre os outros, são os esforços de cisalhamento os responsáveis pelos movimentos atômicos. Estes esforços de cisalhamento que são uma resultante dos esforços externos aplicados como tentativa a deformação. • Desta forma mesmo os esforços externos sendo de tração ou compressão, as tensões responsáveis pela deformação plástica serão as de cisalhamento • No caso dessas forças, as tensões de cisalhamento responsáveis pela deformação serão componentes desses valores externos. Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 236 Deformação• Observou-se que a força necessária na prática, para se fazer um plano escorregar sobre outro era 20 X menor que o valor teórico calculado. • Isso se deve a presença de um defeito em linha que todos os materiais cristalinos possuem chamado de discordâncias • As discordâncias são planos incompletos de átomos gerados no momento da cristalização devido a má formação dos planos vizinhos. Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 237 Deformação a) Um cristal perfeito; b) Um plano extra é inserido no cristal (a); c) O vetor de Burgers � equivale à distância necessária para fechar o contorno formado pelo mesmo número de átomos ao redor da discordância de aresta. Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Defeitos em Linha – Discordâncias em Linha ou de Aresta (a) (b) (c) 238 Deformação a) Um cristal perfeito; b) Um degrau gerado em parte do cristal devido ao deslizamento entre planos numa região do cristal (a); c) O vetor de Burgers � equivale à distância necessária para fechar o contorno formado pelo mesmo número de átomos ao redor da discordância em hélice. Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Defeitos em Linha – Discordâncias em Hélice (a) (b) (c) 239 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Há dois tipos de discordâncias, a em cunha (a) e a helicoidal (b) ou em espiral. Quando as duas aparecem juntas no material tem-se as discordâncias mistas ou combinadas 240 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Características das discordâncias: Geram tensões de tração e compressão no reticulado próximo, além disso podem se repelir (a) ou se anular (b) dependendo da localização dessas forças. 241 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Sistemas de Escorregamento •As discordâncias se movem preferencialmente em direções e planos de maior densidade atômica entre as existentes no sistema cristalino. •Ao lado tem-se o exemplo de um plano de escorregamento e suas 3 direções possíveis dentro desse plano para o sistema C.F.C. 242 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Sistemas de Escorregamento •Um dos planos de escorregamento e uma direção de escorregamento para o sistema C.C.C. 243 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Número de sistemas de escorregamento/deslizamento e sua influência na deformabilidade dos metais • Os metais com estrutura C.F.C. tem 12 sistemas de alta densidade. • Os metais C.C.C. tem 48 sistemas mas com menor densidade atômica. De maneira geral, esses metais deformam menos até a ruptura que os metais C.F.C. • Os metais HC possuem planos de alta densidade atômica mas em número apenas de 3, o que os torna materiais normalmente frágeis. 244 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Escorregamento/Deslizamento em Monocristais • O mecanismo de escorregamento e de deformação plástica, pode ser, inicialmente, mais facilmente entendido em monocristais podendo-se depois extrapolá-lo para policristais. • As forças causadoras da def. plástica são de cisalhamento mas muitas vezes as forças externas são de tração ou compressão como já foi dito. A intensidade da força de cisalhamento atuante sobre os planos dependerá da força externa e dos ângulos dessa força em relação ao plano e a direção de escorregamento. • Quando qualquer dos ângulos forem 90º a força de cisalhamento responsável pelo escorregamento será nula. Se forem de 45º será máxima. A soma dos ângulos não são em geral 90º uma vez que a força e as duas direções não necessitam estar contidas em um mesmo plano. 245 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Deformação Plástica em Policristais • O escorregamento é mais complexo devido ao grande número de grãos com orientações diferentes. • Cada grão possuirá planos e direções de escorregamentos com ângulos distintos dos vizinhos, mesmo se tratando do mesmo sistema de escorregamento. (orientações cristalinas diferentes em cada grão). • Quando se supera a tensão de escoamento inicia o movimento das discordâncias nos grãos melhores orientados com a tensão externa aplicada em relação ao sistema de escorregamento preferencial.Os grãos vizinhos, não tão bem orientados, terminam dificultando a deformação do primeiro. Além das dificuldades das discordâncias passarem pelos contornos de grão. Essas restrições fazem dos materiais policristalinos, materiais mais resistentes que os monocristais. • A deformação generalizada causa distorções também nos grãos indicando o sentido da deformação. 246 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Efeito do contorno de grão na resistência dos materiais • Quando uma discordância encontra um contorno de grão ela tem que mudar de direção já que o sistema de escorregamento também muda. Além disso a região do contorno (de 2 a 10 Å) é conturbada onde os átomos não tem uma organização definida. • Assim quanto menores os tamanhos de grão mais contornos estarão no caminho das discordâncias necessitando de mais força de cisalhamento sobre os planos para realizar a deformação plástica. O material fica mais resistente. 247 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Deformação por Maclação maclas em peça de bronze • Maclas podem ser causadas por deformações do material, por tensões térmicas ou mecânicas; • Maclas de deformação ocorrem em metais que possuam estruturas cristalinas C.C.C. ou HCp a baixas temperaturas e a taxas elevadas de carregamento (cargas de impacto), quando existem poucos sistemas de escorregamento operacionais. A formação da macla pode gerar novos sistemas operacionais. 248 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Deformação por Maclação Ligas com memória de forma: • Esse defeito é observado em materiais com memória de forma, que podem recuperar sua forma original quando expostos a uma fonte de calor; • As maclas desaparecem quando estes materiais são deformados e ressurgem quando são aquecidos a altas temperaturas, recuperando sua forma original. •Correspondem a um percentual pequeno da deformação total. 249 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Encruamento Quando se deforma um metal em baixas temperaturas (trabalho a frio) ele se torna mais duro e mais resistente ao mesmo tempo em que se torna menos dútil ou mais frágil. %Tf= (Ao – Af / Ao) x 100 O encruamento é explicado pela interação dos campos de deformação das discordâncias, que são aumentadas pela deformação, exigindo cada vez mais força para prosseguir a deformação. 250 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Encruamento 251 Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Tipos de Conformação Mecânica Deformação a frio: Ocorre em temperatura abaixo da temperatura de recuperação/recristalização do metal ou da liga. Nesse tipo de conformação há mudanças das propriedades (encruamento). A precisão dimensional é melhor e o acabamento superficial também. Exemplos: Laminação, trefilação, estampagem Deformação a morno: Ocorre a temperatura superior a de recuperação evitando uma parte das tensões residuais geradas pelo processo. No entanto há encruamento. Obs.: No caso de aços normalmente se atribuiu a laminação a morno quandoé praticado no campo ferrítico. Deformação a quente: Ocorre a temperaturas superiores a temperatura de recristalização. Não há encruamento (o material recristaliza – de forma dinâmica ou estática) o que permite grandes deformações e com menores esforços. Exemplos: Laminação, forjamento, extrusão. Obs.: No caso de aços normalmente se atribui a laminação a quente quando é praticado no campo austenítico, porém neste campo existe uma faixa de temperatura muito próxima a A3 que o material não exibem recristalização (temperatura de não recristalização – Tnr). Acima desta faixa de temperatura o material exibirá a recristalização. Nota.: Em aços existe também a deformação a quente no campo intercrítico – no campo de estabilidade da ferrita e austenita (entre A3 e A1). 252 Deformação Vários processos de conformação mecânica que envolvem deformação plástica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Dobramento Forjamento Laminação Trefilação Embutimento ProfundoEstiramento Matriz Cisalhamento τ ExtrusãoExtrusão 253 Deformação Cálculo da Tensão de Escoamento para a Deformação de Monocristais Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Considere um monocristal de Fe ccc orientado com a tensão de aplicação do esforço externo ao longo da direção [010]. (a) Calcule a tensão cisalhante resolvida (τcrss) ao longo do plano (110) e na direção [-111] quando uma tensão externa de tração (σ) de 52 Mpa (7500 psi) é aplicada. (b) Se o deslizamento ocorre no plano (110) e na direção [-111], e a tensão cisalhante critica resolvida (τcrss) é de 30 Mpa (4350) psi, calcule a magnitude da tensão externa de tração (σ) a ser aplicada para iniciar o escoamento (σy). 254 Deformação Cálculo da Tensão de Escoamento para a Deformação de Monocristais Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica (a) Uma célula unitária ccc com a direção e o plano de deslizamento bem como a direção de aplicação da tensão são apresentados no diagrama (1). Como indicado, φφφφ, o ângulo entre a normal do plano (110) e a direção [010] é de 45o. A partir do triângulo ABC no diagrama (2), λλλλ, o ângulo entre as direções [-111] e [010] é igual a tg(a(2)1/2/a) = 54,7o, sendo a o parâmetro de rede. Dessa forma: )3060(3.21)7,54)(cos45)(cos52(coscos psiMPaMPa ooR === λφστ (1) (2) (b) A tensão de escoamento, σy, por se calculada por uma das equações dadas anteriormente, tendo em conta os mesmo valores de φ e λ do item (a) )10600(4,73)7,54)(cos45(cos 30 ))(cos(cos psiMPa MPa oo R y === λφ τ σ 255 Deformação/Recuperação/Recristalização/Crescimento de Grão Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Influência da Temperatura nos Processo de Deformação Plástica Acresce o fato de que durante a deformação plástica dos materiais metálicos cerca de 90-95% do trabalho ideal de deformação, ser convertido em calor, sendo a parcela restante armazenada sob a forma de discordâncias e defeitos na microestrutura. Em condições adiabáticas, isto é, na ausência de perdas de calor para as ferramentas, lubrificante e ambiente, pode calcular-se o aumento de temperatura associado à deformação plástica através de, É habitual estabelecer três regimes de trabalho para os processo de deformação plástica em função da temperatura a que os mesmos se processam. 256 Deformação Efeito da Temperatura Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica • Trabalho a quente / a morno: – Aquecimento – Temperatura – Sequência de Deformação – Resfriamento • Trabalho a Frio 257 Deformação Efeito da Temperatura – “Trabalho a Quente / a Morno” Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica efeito da deformação sobre os vazios existentes no material BC – aço baixo carbono (low carbon steel) IF – aço livre de intersticiais (intersticial free steel) 258 Deformação Efeito da Temperatura – “Trabalho a Quente” Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Recristalização dinâmica austenita austenita Ferrita e/ou perlita 259 Deformação Efeito da Temperatura – “Trabalho a Quente” Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Aço convencional – Forjamento a quente 260 Deformação Efeito da Temperatura – “Trabalho a Frio” Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Metais deformados a frio 261 Deformação Inclusões Não-Metálicas Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Provenientes do Processo de Elaboração da Liga Métalica no Estado Líquido, ou no Estado Sólido por processo de oxidação 262 Deformação Inclusões Não-Metálicas e Anisotropia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 263 Deformação Inclusões Não-Metálicas e Anisotropia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Aço estrutural 264 Deformação/Recuperação/Recristalização/Crescimento de Grão Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Alguns fatores microestruturais podem retardar os processos de recuperação, recristalização, crescimento de grão associadas a solução sólida, presença de precipitados e natureza da fase presente. 265 Deformação Características Estruturais da Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Energia de Defeito de Empilhamento (EDE) Baixa Alta Heterogeneidades na deformação Bandas de Cisalhamento Maclas de Deformação (HC e CCC)Bandas de Deformação 266 Recuperação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica (a) Arranjo de discordâncias ao acaso em monocristal deformado por flexão. (b) Rearranjo de discordâncias originando os subcontornos após recozimento. (a) Emarranhados de discordâncias (b) Formação de células, (c) Aniquilação de discordâncias nas paredes das células, (d) Formação de Sub-grãos. 267 Recristalização Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Leis da Recristalização: 1) Para que a recristalização ocorra, é necessária uma deformação mínima; 2) Quanto menor o grau de deformação, mais alta é a temperatura para início da recristalização; 3) Quanto mais longo o tempo de recozimento, menor é a temperatura necessária para a recristalização; 4) O tamanho de grão final depende (fortemente) do grau de deformação e (fracamente) da temperatura de recozimento. Quanto maior o grau de deformação e/ou menor a temperatura de recozimento, menor será o tamanho de grão final; 5) Quanto maior o tamanho de grão original, maior é o grau de deformação necessário para que a recristalização se complete no mesmo tempo e temperatura de recozimento; 6) O grau de redução necessário para se obter um mesmo endurecimento por deformação (encruamento) aumenta com o aumento da temperatura de deformação. Para um dado grau de redução, quanto maior a temperatura de deformação, maior é a temperatura de recristalização e maior é o tamanho de grão final; 7) O aquecimento continuado após o término da recristalização causa crescimento de grão. 268 Crescimento de Grão Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Movimento do contorno de grão. Os átomos se movem para a superfície concava, onde são mais estáveis. Como consequência, o contorno se movimenta em direção ao centro de curvatura. Daí resulta o desaparecimento eventual de grãos pequenos. 269 Recristalização Durante a Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia MetalúrgicaMecanismos de restauração (recuperação e recristalização) possíveis durante a deformação a quente. (a) durante a laminação (baixas de deformações) para metais de alta Energia de Defeito de Empilhamento (EDE). (b) durante a laminação de metais de baixa EDE. (c) durante a extrusão (altas deformações) para metais de alta EDE. (d) durante a extrusão para metais de baixa EDE. 270 Recristalização Durante a Deformação Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Representação esquemática da evolução da recristalização metadinâmica durante a laminação a quente. Os grãos são representados na figura em escala macroscópica. 271 Laminação a Quente Controlada Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Laminação controlada por recristalização. (Tnr = temperatura de não recristalização) 272 Laminação a Quente Controlada Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Laminação controlada convencional. (Tnr = temperatura de não recristalização) 273 Laminação a Quente Controlada Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Laminação controlada por recristalização dinâmica. (Tnr = temperatura de não recristalização, RD = recristalização dinâmica; RMD = recristalização metadinâmica) 274 Laminação a Quente Controlada Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica A evolução da TME (tensão média de escoamento) em função do inverso da temperatura absoluta. Representação esquemática de um processo de conformação a quente com 5 passes. Cada declive é associado a um fenômeno metalúrgico como recristalização estática (RE); acumulo de deformação e recristalização dinâmica (RD) + metadinâmica (RMD) 275 Resumo �Cronograma do Programa / Avaliações �Bibliografia Básica �Introdução a Metalurgia Física �Revisão Cristalografia �Átomos Intersticiais �Transformações de Fase �Precipitados �Mecanismos de Endurecimento �Deformação/Recuperação/Recristalização/Crescimento de Grão �Fatores que Influenciam a Textura cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 276 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica O que é Textura Cristalográfica? Os materiais policristalinos são constituídos de pequenos cristais, denominados grãos, os quais são separados uns dos outros por fronteiras denominadas limites ou contornos de grão. As propriedades de um material policristalino dependem da forma, tamanho e da orientação dos grãos. Cada grão em um material policristalino tem uma orientação cristalográfica diferente da dos seus vizinhos, ou seja, os planos e as direções cristalográficas têm orientação espacial diferente de grão para grão. As diferenças de orientação são habitualmente da ordem de dezenas de graus. 277 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica O que é Textura Cristalográfica? Consideradas de modo global, algumas direções e/ou os planos cristalográficos de todos os grãos podem estar orientadas, em maior ou menor escala, em redor de alguma ou de algumas orientações particulares do referencial da amostra. Nesta última condição, o material policristalino apresenta orientação preferencial ou textura cristalográfica. É importante salientar que a textura não se refere à forma dos grãos, mas sim à forma como a rede cristalina desses grãos está arranjada espacialmente. Chapa com orientação dos cristais ao acaso (sem textura ou textura aleatória) 278 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica O que é Textura Cristalográfica? O tipo de textura desenvolvida em um material dependerá de vários fatores, tais como: composição química, estrutura cristalina e parâmetros de processamento (deformação, taxa de deformação, temperatura e outros). A orientação preferencial é introduzida pelo processo de fabricação, recebendo a textura um nome especial em função de tal processo, como: (i) no caso do processo de solidificação – textura bruta de fusão; (ii) no caso de processos de deformação plástica – textura de deformação; (iii) no caso de processos de recristalização – texturas de recristalização; entre outras. 279 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica O que é Textura Cristalográfica? A textura pode conduzir a características anisótropicas nas propriedades físicas, químicas e mecânicas. Alguns exemplos importantes são o módulo de elasticidade, o coeficiente de Poisson, a resistência à tração/compressão, a ductilidade, a tenacidade, a permeabilidade magnética e a energia de magnetização. Para algumas aplicações, esta anisotropia é uma vantagem (p.ex. aços ao silício para aplicações eléctricas que possuem uma forte textura <100> com o objectivo de diminuição de perdas magnéticas). Em outras aplicações, a anisotropia é extremamente prejudicial (p.ex. metais para estampagem onde a anisotropia planar pode causar o efeito de formação de “orelhas”). Nas ligas com Efeito de Memória de Forma (EMF) e Superelásticas (SE), a anisotropia pode ser um fator interessante nas suas propriedades físicas e mecânicas de um dado componente/atuador durante a transformação de fase. 280 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica O que é Textura Cristalográfica? A textura cristalográfica é constituída de componente de texturas associadas às orientações cristalográficas de um dado volume de material texturado. Uma componente de textura pode ser uma textura de fibra ou textura de chapa, dependendo do processo de fabricação. Uma textura de fibra é oriunda de qualquer material deformado por um sistema de forças com simetria rotacional sobre um eixo, por exemplo, um arame ou uma barra por processo de trefilação ou extrusão. Na textura de fibra, um elevado número de grãos tem uma dada orientação cristalográfica <uvw> preferencialmente orientada segundo a direção longitudinal da fibra ou arame. De forma mais genérica, a textura de fibra pode ser definida como estando associada à prevalência de uma dada direção cristalográfica segundo uma determinada direção do referencial da amostra, enquanto segundo um plano perpendicular há aleatoriedade de distribuição das restantes direções cristalográficas. 281 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica O que é Textura Cristalográfica? A simbologia utilizada para representar uma componente de textura de chapa é através da indicação da família de planos cristalográficos {hkl} paralelos ao plano da chapa e da família de direcções <uvw> desse plano paralelas à direcção de laminagem (DL). Dessa forma a componente é especificada com a notação {hkl}<uvw>. 282 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica O que é Textura Cristalográfica? Em geral a textura cristalográfica de um material possui várias componentes. Deste modo, existem várias formas de medir e representar a textura cristalográfica tomando como referência os eixos macroscópicos do material, definidos como eixos das direções de laminação (DL), transversal (DT) e normal (DN), 283 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia MetalúrgicaO que é Textura Cristalográfica? Figuras de pólos directas para um plano qualquer com textura (b) Textura Aleatória // (c) Textura preferencial No que diz respeito à medida, esta pode ser efectuada por meio de difracção de Raios-X, difração de neutrões, usando radiação sincrotrão e ainda por EBSD (Electron Back Scattering Diffraction). Quanto às formas gráficas de representar a textura cristalográfica, existem a figura de pólos directa, a figura de pólos inversa e a função de distribuição das orientações cristalográficas (FDOC, “Orientation Distribution Function – ODF”). 284 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica O que é Textura Cristalográfica? Figuras de pólos directas para um plano qualquer com textura (b) Textura Aleatória // (c) Textura preferencial A figura de pólos direta é uma projeção estereográfica com uma orientação específica relativamente à amostra, na qual se apresenta a variação da densidade de pólos com a orientação espacial para um plano cristalográfico seleccionado. Por outro lado, a figura de pólos inversa exibe a distribuição de uma direção em particular na amostra relativamente aos eixos do cristal. 285 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica O que é Textura Cristalográfica? Resultados do simulação do modelo micromecânico de teste pseudoelástico de tração/compressão de policristal de Ni-Ti A figura de pólos inversa exibe a distribuição de uma direção em particular na amostra relativamente aos eixos do cristal. 286 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica O que é Textura Cristalográfica? ODFs do aço IF laminado a frio na Brasmetal, obtidas por difração de raio X. (Reduções de 90, 85 e 77%, ϕϕϕϕ2 = 45o) A Função de Distribuição de Orientações Cristalográficas (ODF) é obtida através das figuras de pólos diretas, expressando a probabilidade de um cristal ter a orientação descrita por certos ângulos dependentes da notação escolhida (notação de Roe ou Bunge). 90% 85% 77% 287 Fatores que Influenciam a Textura Cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica O que é Textura Cristalográfica? Mapa de orientação e ODF do aço IF laminado a quente, gerados em uma das varreduras por EBSD 288 Resumo �Cronograma do Programa / Avalições �Bibliografia Básica �Introdução a Metalurgia Física �Revisão Cristalografia �Átomos Intersticiais �Transformações de Fase �Precipitados �Mecanismos de Endurecimento �Deformação/Recuperação/Recristalização/Crescimento de Grão �Fatores que Influenciam a Textura cristalográfica Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica
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