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1 METALURGIA FÍSICA (45 h – 3 créditos) Sala D30 6a feira – 16:00 às 20:00 Profa. ANDERSAN dos Santos Paula, D.Sc. andersan@metal.eeimvr.uff.br andersita@gmail.com 1o Trimestre/2014 – 14/Mar-30/Mai/2014 Pólo Universitário de Volta Redonda - PUVR Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda – EEIMVR Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 2 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 3 Cronograma da Programa / Avaliações Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Tópicos Horas Data Introdução a Metalurgia Física: Importância no desenvolvimento científico- tecnológico, Principais Metais e Ligas ferrosas e não-ferrosas, e Quadro Geral no Brasil/Mundo. / Revisão Cristalografia (Comentários). 2 14mar2014 Intersticiais: Solubilidade, difusão, efeitos no endurecimento, campos de tensões, interação com discordâncias e no limite de escoamento. 4 14 e 21mar Transformações de Fase: Cinética, morfologia, cristalografia, efeitos da taxa de resfriamento e dos elementos de liga, e propriedades mecânicas nas transformações difusionais, adifusionais (martensítica termoelástica e não- termoelástica) e mistas (bainítica). / Distribuição de Trabalho Individual (1TI) para Entrega em 25abr. 8 / 1 21, 28mar e 04abr 04abr 1ª Avaliação Escrita – 1AV – peso 4 2 11abr2014 Precipitados: Tipos, nucleação, crescimento, coalescimento, dissolução de precipitados, precipitação em tratamentos térmicos e termomecânicos, interação dos precipitados com discordância e controle no crescimento de grão (precipitação intergranular). 4 04 e 11abr Mecanismos de endurecimento: por solução sólida, precipitação/envelhecimento, dispersão, redução do tamanho de grão e encruamento. / Distribuição de Trabalho Individual (2TI) para Entrega em 09mai. 4 / 1 25abr 25abr Deformação, recuperação, recristalização e crescimento. 8 09 e 16mai Fatores que influenciam a textura cristalina. 4 23 e 30mai 2ª Avaliação Escrita – 2AV – peso 4 2 23mai2014 Entrega do Trabalho Individual (Texto e Apresentação Oral) – TB – peso 2 5 30mai2014 Notas máximas Avaliações: 1AV = Prova (9) + 1TI (1) = 10 2AV = Prova (9) + 2TI (1) = 10 Nota Final (NF) NF = (1AV + 2AV) * 4 + TB * 2 10 Feriados/Recessos: 18abr – Sexta-Feira Santa 20abr – Páscoa 21abr – Tiradentes 22abr - Recesso 23abr – S. Jorge 01mai – Dia do trabalhador 02mai - Recesso 4 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 5 Bibliografia Básica • Reed-Hill, R.E., e Reza, A., Physical Metallurgy Principles (The Pws-Kent Series in Engineering), Thomson- Engineering, 3ª Edição, 1991. • Angelo Fernando Padilha e Fulvio Siciliano Jr., Encruamento, Recristalização, Crescimento de Grão e Textura, ABM. • André Luiz V. da Costa e Silva, e Paulo Roberto Mei, Aços e Ligas Especiais, Editora Edgard Blücher. • DIETER, G.E. Mechanical Metallurgy. 3rd. ed., New York, NY: McGraw-Hill, 1986. • ASHBY, M.F e JONES, D.R.H. Engineering Materials 1 – An introduction to their properties & Applications. Butterworth Heinemann, 2ª Edição. • ASHBY, M.F e JONES, D.R.H. Engineering Materials 2 – An introduction to microstructure, processing & design. Butterworth Heinemann, 2ª Edição. • SMITH, W.H. Principles of Materials Science and Engineering. McGraw-Hill, 2ª Edição, 1990. • SMALLMAN, R.E., e BISHOP, R.J., Modern Physical Metallurgy & Materials Engineering: Science, Process and Application. Butterworth Heinemann, 6ª Edição. • CAHN, R.W, e HAASEN, P., Physic Metallurgy, Volumes 1, 2 e 3. North-Holland, 1996. • BHADESHIA, H.K.D.H., Bainite in Steels: Transformations, Microstructure, and Properties, The University Press, Cambridge, 2ª Edição. • PORTER, D.A., e EASTERLING, K.E., Phase Transformations in Metals and Alloys, Van Nostrand Reinhold (UK) Co. Ltd., 1981. Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 6 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 7 Introdução a Metalurgia Física • Importância no desenvolvimento científico-tecnológico • Principais metais e ligas ferrosos e não-ferrosos • Quadro geral no Brasil/Mundo Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 8 Introdução a Metalurgia Física Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica •BIOMATERIAIS MATERIAIS NA ENGENHARIA: •METÁLICOS •CERÂMICOS •POLIMÉRICOS •COMPÓSITOS •SEMICONDUTORES •BIOMATERIAIS Estruturas Macro → Micro → Nano → Eletrônica Importância no Desenvolvimento Científico-Tecnológico 9 Introdução a Metalurgia Física Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Classes de Propriedades Econômico •Preço e disponibilidade •Reciclabilidade Física •Densidade Mecânica •Módulos de Elasticidade e Cisalhamento •Tensão de Escoamento e de Resistência •Dureza •Tenacidade a Fratura •Resistência a Fadiga •Resistência a Fluência •Amortecimento Elétrica e Magnética •Resistividade •Constante Dielétrica •Permeabilidade Magnética Interações Ambientais •Oxidação •Corrosão •Desgaste Produção •Facilidade de Produção •União •Acabamento Estética •Coloração •Textura (visual) •Sensação (ao tato e odor) Óptica •Refração • Absorção / Reflexão / Transmissão •Opacidade / Translucência / Cor Importância no Desenvolvimento Científico-Tecnológico 10 Introdução a Metalurgia Física Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Carta de Seleção de materiais: Resistência versus Densidade. Principais Metais e Ligas Ferrosos e Não-ferrosos Principais Materiais Metálicos: Aços e Ferros Fundidos Alumínio e suas Ligas Cobre e suas Ligas Zinco e suas Ligas Titânio e suas Ligas Níquel e suas Ligas Magnésio e suas Ligas Molibdênio e suas Ligas Chumbo e suas Ligas Tungstênio e suas Ligas 11 Introdução a Metalurgia Física Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Quadro Geral no Brasil/Mundo Fonte: DNPM (2006), Sumário Mineral – Departamento Nacional de Produção Mineral/Ministério de Minas e Energia, Brasília. 12 Introdução a Metalurgia Física Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Tendências de utilização de materiais para indústria aeronáutica: materiais utilizados em turbinas e seus componentes. (Fonte: Titanium Development Association e General Electric Company) Quadro Geral no Brasil/Mundo 13 Introdução a Metalurgia Física Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Tendências de utilização de materiais para indústria aeronáutica: materiais utilizados na fuselagem para aviões da marinha. (Fonte: Naval Air Development Center e Naval Air Systems Command) QuadroGeral no Brasil/Mundo 14 Introdução a Metalurgia Física Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 1 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 2002 Others Magensium Plastics Aluminum Steel Source: Mercer Management Consulting / DaimlerChrysler 10 99 88 2002 Volume segment Premium segment 2 4 94 2015 3 3 2015 13 80 Tendências de Aplicação de Materiais na Estrutura de Carros Quadro Geral no Brasil/Mundo 15Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Aços de Alta Resistência Utilizados no Corpo de Carros (BIW) Introdução a Metalurgia Física DC 03/04/06 DX 54 DX 56 180 MPa 220 MPa 260 MPa 300 MPa 340 MPa 380 MPa 400 MPa 420 MPa 500 MPa 680 MPa 950 MPa Peso BIW : 373 kg Limite de Escoamento médio: 294 MPa Peso da Estrutura: 267 kg Tipos de Aços (limite de escoamento) Other Materials 2% Complex Phase 7% Dual Phase 4% Mild Steel 19% Bake Hardening 29% Interstitial-Free 20% HSLA 14% TRIP 5% Quadro Geral no Brasil/Mundo 16Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Evolução dos Diversos Tipos de Aços Avançados de Alta Resistência (AHSS) ao Longo das Últimas Três Décadas. (fonte: Wuppermann, C.P. The Steel Industry in Europe – Globalisation: Challenges and Opportunities. In: 62o Congresso Annual da ABM. Anais Vitória, jul. 2007, 71p.) Introdução a Metalurgia Física Quadro Geral no Brasil/Mundo 17Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Relação entre Limite de Resistência e Alongamento Total dos Vários Tipos de Aços Avançados de Alta Resistência (AHSS). (fonte: Schröder, T. Ausgekochter Stahl für das Auto von morgen. Max Planck Forschung, 3, 2004, p. 36-41.) Introdução a Metalurgia Física Quadro Geral no Brasil/Mundo 18 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 19 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica • Estrutura Atômica • Ligação Atômica • Cristalinidade • Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina • Defeitos Cristalinos 20 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Estrutura Atômica Átomo Núcleo Eletrosfera Prótons (+) Nêutrons Elétrons (-) A = Z + N Número atômico (Z) = número de prótons = número de elétrons Número de nêutrons (N) Número de massa (A) = Z + N X XAZ AZ 21 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Estrutura Atômica / Eletrônica - “Diagrama de Pauling” - L(8) K(2) M(18) N(32) O(32) P(18) Q(2) 2 8 8 2 10 6 2 10 6 2 10 6 2 14 1014 1s 2s 1s2p 3s 1s3p 3d 4s 1s4p 4d 4f 5s 1s5p 5d 5f 6s 1s6p 6d 7s K L M N O P Q 1 2 3 4 5 6 7 2 8 18 32 32 18 2 2 6 10 14 s p d f Número máximo de elétrons por subníveis N ú m e r o m á x i m o d e E l é t r o n s p o r n í v e i s Níveis 22 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Estrutura Atômica 23 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Estrutura Atômica - “Tabela Periódica – Raio Atômico” 24 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Estrutura Atômica - “Tabela Periódica – Volume Atômico (= Massa / Densidade)” Maiores Volumes Atômicos 25 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Estrutura Atômica - “Tabela Periódica – Densidade Absoluta” Maiores densidades absolutas (d = m/v) 26 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Estrutura Atômica - “Tabela Periódica – Pontos de Fusão e de Ebulição” Maiores pontos de fusão e de ebulição Exceção Menores pontos de fusão e de ebulição Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 27 Revisão Cristalografia Estrutura Atômica - “Tabela Periódica – Potencial de Ionização” Maiores potenciais de ionização, maiores energias necessárias para arrancar o primeiro elétron da camada mais externa do atómo. Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 28 Revisão Cristalografia Estrutura Atômica - “Tabela Periódica – Eletroafinidade” Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Maiores eletroafinidade. 29 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Ligação Atômica 30 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Forças e Energia de Ligação F o r ç a , F A t r a ç ã o R e p u l s ã o E n e r g i a d e L i g a ç ã o , E A t r a ç ã o R e p u l s ã o Força Atrativa, FA Energia Atrativa, EA Força Repulsiva, FR Energia Repulsiva, ER Separação Interatômica, r Separação Interatômica, r Energia de Ligação, EN Força de Ligação, FN (a) Dependência das forças repulsiva, atrativa e de ligação na separação interatômica para dois átomos isolados. (b) Dependência das energias repulsiva, atrativa e potencial de ligação na separação interatômica para dois átomos isolados. 31 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Ligação Atômica - “Iônica” - Característica de materiais Isolantes (a temperaturas usuais) 32 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Ligação Atômica - “Covalente” - 33 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Ligação Atômica - “Metálica” - Característica de materiais Condutores (a temperaturas usuais) 34 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Ligação Atômica - “de Van der Waals” - Átomo simétrico eletronicamente Dipolo atômico induzido Este tipo de ligação é o que permite que gases inertes e outras moléculas eletronicamente neutras e simétricas (H2, Ar, Cl2, etc) possam se liquefazer e solidificar. 35 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Ligação Atômica - “Secundária / de Hidrogênio” - Este tipo de ligação faz com que substâncias como HF ou H2O com baixo peso molecular, quanto as que possuem ligação de Van der Waals, tenham um ponto de fusão anormalmente alto. 36 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Cristalinidade As propriedades de alguns materiais estão diretamente associadas à sua estrutura cristalina (ex: magnésio e berílio que têm a mesma estrutura se deformam muitomenos que ouro e prata que têm outra estrutura cristalina). Explica a diferença significativa nas propriedades de materiais cristalinos e não cristalinos de mesma composição (materiais cerâmicos e poliméricos não-cristalinos tendem a ser opticamente transparentes enquanto cristalinos não). Material cristalino é aquele no qual os átomos encontram-se ordenados sobre longas distâncias atômicas formando uma estrutura tridimensional que se chama de rede cristalina. Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros formam estruturas cristalinas sob condições normais de solidificação. Nos materiais não-cristalinos ou amorfos não existe ordem de longo alcance na disposição dos átomos. 37 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina Sistema Eixos Ângulos Cúbico a1 = a2 = a3 α = β = γ = 90º Tetragonal a1 = a2 � c α = β = γ = 90º Ortorrômbico a � b � c α = β = γ = 90º Monoclínico a � b � c α = β = 90º � γ Triclínico (ou trigonal) a � b � c α � β � γ � 90º Hexagonal a1 = a2 = a3 � c α = β = 90º e γ = 120º Romboédrico a1 = a2 = a3 α = β = γ � 90º 38 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina Célula Unitária unidade básica repetitiva da estrutura tridimensional Consiste num pequeno grupos de átomos que formam um modelo repetitivo ao longo da estrutura tridimensional (analogia com elos de uma corrente). A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina. 39 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Tipos de Retículos / Células de Bravais P - Primitivo (exceção para denominação do Romboédrico, R) Não Primitivos: I - retículos de corpo centrado F - retículos de face centrado C - retículos de base centrada Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina Célula Unitária unidade básica repetitiva da estrutura tridimensional Os átomos são representados como esferas rígidas 40 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Metais” - Como a ligação metálica é não-direcional não há restrições quanto ao número e posições dos vizinhos mais próximos. Então, a estrutura cristalina dos metais têm geralmente um número grande de vizinhos e alto empacotamento atômico. Três são as estruturas cristalinas mais comuns em metais: cúbica de corpo centrado (ccc), cúbica de face centrada (cfc) e hexagonal compacta (hc). 41 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Cúbico” - Os átomos podem ser agrupados dentro do sistema cúbico em 3 diferentes tipos de repetição Cúbico simples - cs Cúbico de corpo centrado - ccc Cúbico de face centrada - cfc 42 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Cúbico” - Sistema Cúbico Simples - cs Relação entre o raio atômico (R) e o parâmetro de rede (a) para o sistema cs, onde os átomos se tocam na face. Apenas 1/8 de cada átomo cai dentro da célula unitária, ou seja, a célula unitária contém apenas 1 átomo. Essa é a razão porque os metais não cristalizam na estrutura cúbica simples (devido ao baixo empacotamento atômico). Número de coordenação corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos. Para a estrutura cúbica simples o número de coordenação é 6. 43 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Cúbico” - FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO PARA O SISTEMA CS Fator de empacotamento (FE) = Número de átomos x Volume dos átomos Volume da célula unitária Volume dos átomos (Va) = número de átomos (n) x Volume da Esfera ( 1 x 4piR3/3) Volume da célula (Vc) = Volume do Cubo = a3 Fator de empacotamento = (4piR3/3) / (2R)3 O fator de empacotamento para a estrutura cúbica simples é 0,52 ou seja, 52% do espaço do sistema está ocupado e restante é vazio 44 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Cúbico” - Sistema Cúbico de Corpo Centrado - ccc Na estrutura ccc cada átomo dos vértices do cubo é dividido com 8 células unitárias. Já o átomo do centro pertence somente a sua célula unitária. Com isto para a estrutura ccc o número de coordenação é 8. Cada átomo de uma estrutura ccc é cercado por 8 átomos adjacentes. Há 2 átomos por célula unitária na estrutura ccc. Relação entre o raio atômico (R) e o parâmetro de rede (a) para o sistema ccc, onde os átomos se tocam ao longo da diagonal do cubo: D= 4r D2 = a2 + a2 + a2 a = 4r/(3)1/2 O Fe, Cr, W cristalizam em ccc. 45 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Cúbico” - FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO PARA O SISTEMA CCC Fator de empacotamento (FE) = Número de átomos x Volume dos átomos Volume da célula unitária Volume dos átomos (Va) = número de átomos (n) x Volume da Esfera ( 2 x 4piR3/3) Volume da célula (Vc) = Volume do Cubo = a3 Fator de empacotamento = (8piR3/3) / (4R/(3)1/2)3 O fator de empacotamento para a estrutura cúbica de corpo centrado é 0,68 ou seja, 68% do espaço do sistema está ocupado e restante é vazio 46 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Cúbico” - Sistema Cúbico de Face Centrada - cfc Na estrutura cfc cada átomo dos vertices do cubo é dividido com 8 células unitárias. Já os átomos das faces pertencem somente a duas células unitárias. Com isto para a estrutura ccc o número de coordenação é 12. Há 4 átomos por célula unitária na estrutura cfc. Relação entre o raio atômico (R) e o parâmetro de rede (a) para o sistema cfc, onde os átomos se tocam ao longo da diagonal da face: a2 + a2 = (4R)2 2 a2 = 16 R2 a2 = (16/2) R2 a2 = 8 R2 a= 2R (2)1/2 É o sistema mais comum encontrado nos metais (Al, Fe, Cu, Pb, Ag, Ni,...) 47 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Cúbico” - FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO PARA O SISTEMA CFC Fator de empacotamento (FE) = Número de átomos x Volume dos átomos Volume da célula unitária Volume dos átomos (Va) = número de átomos (n) x Volume da Esfera ( 4 x 4piR3/3) Volume da célula (Vc) = Volume do Cubo = a3 Fator de empacotamento = (16piR3/3) / (2R(2)1/2)3 O fator de empacotamento para a estrutura cúbica de face centrada é 0,74 ou seja, 74% do espaço do sistema está ocupado e restante é vazio 48 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Cúbico” - 49 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Cálculo da Densidade” - O conhecimento da estrutura cristalina permite o cálculo da densidade (ρ): n= número de átomos da célula unitária A= peso atômico Vc= Volume da célula unitária NA= Número de Avogadro (6,02 x 1023 átomos/mol) Exemplo: Cobre têm raio atômico de 0,128nm (1,28 Å), uma estrutura cfc, um peso atômico de 63,5 g/mol. Calcule a densidade do cobre. Resposta: 8,89 g/cm3 Valor da densidade medida=8,94 g/cm3 50 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Hexagonal Simples - HS” - •Os metais não cristalizam no sistema hexagonal simples porque o fator de empacotamento é muito baixo. •Entretanto, cristais com mais de um tipo de átomos cristalizam neste sistema. 51 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Hexagonal Compacto - hc” - • O sistema hexagonal compacto é mais comum nos metais (ex.: Mg, Zn) • Na estrutura hc cada átomo de uma dada camada está diretamente abaixo ou acima dos interstícios formados entre camadas adjacentes. 52 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Hexagonal Compacto - hc” - • Cada átomo tangencia 3 átomos da camada de cima, 6 átomos no seu próprio plano e 3 átomos na camada de baixo do seu plano. •O número de coordenação para a estrutura hc é 12 e, portanto, o fator de empacotamento é o mesmo da estrutura cfc, ou seja, 0,74. 53 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Sistema Hexagonal Compacto - hc” - 54 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina Estrutura e Raio Atômico para alguns metais 55 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina Polimorfismo ou Alotropia • Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e presão. Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo. • Geralmente as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças na densidade e de outras propriedades físicas. •Exemplos de materiais que exibem polimorfismo: ferro, titânio, carbono (grafite e diamante), SiC (chega a ter 20 modificações cristalinas), etc. 56 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina • Na temperatura ambiente, o ferro têm estrutura ccc, número de coordenação 8, fator de empacotamento de 0,68 e um raio atômico de 1,241Å. •A 910ºC, o ferro passa para estrutura cfc, número de coordenação de 0,74 e um raio atômico de 1,292Å. •A 1390ºC o ferro passa novamente para ccc. Alotropia do Ferro 57 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina Fase α •Existe até 883ºC •Apresenta estrutura hexagonal compacta •É mole Fase β •Existe a partir de 883ºC •Apresenta estrutura ccc •É dura Alotropia do Titânio 58 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina 59 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina a, b e c definem os eixos de um sistema de coordenadas em 3D. Qualquer linha (ou direção) do sistema de coordenadas pode ser especificada através de dois pontos: um deles é sempre tomado como sendo a origem do sistema de coordenadas, geralmente (0,0,0) por convenção. Direções nos Cristais 60 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Direções para o Sistema Cúbico” - Direção em particular: [u v w] Família de Direções: <u v w> A simetria do sistema cúbico permite que as direções equivalentes sejam agrupadas para formar uma família de direções: a) <2 2 1> b) <1 0 0> para arestas das faces c) <1 1 0> para as diagonais das faces, maior densidade no cfc d) <1 1 1> para as diagonais do cubo, maior densidade no ccc (a) (c) (d) (b) 61 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina Para a determinação da estrutura cristalina. Os métodos de difração medem diretamente a distância entre planos paralelos de pontos do reticulado cristalino. Esta informação é usada para determinar os parâmetros do reticulado de um cristal de um material em particular. Os métodos de difração também medem os ângulos entre os planos do reticulado. Estes são usados para determinar os ângulos interaxiais de um cristal. Para a deformação plástica. A deformação plástica (permanente) dos metais ocorre pelo deslizamento dos átomos, escorregando uns sobre os outros no cristal. Este deslizamento tende a acontecer preferencialmente ao longo de planos/direções específicos do cristal que são os de mais alta densidade atômica. Para as propriedades de transporte. Em certos materiais, a estrutura atômica em determinados planos causa o transporte de elétrons e/ou acelera a condução nestes planos, e, relativamente, reduz a velocidade em planos distantes destes. Planos cristalinos porque são importantes? 62 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Planos para o Sistema Cúbico” - Plano em particular: (h k l) Família de Planos: {h k l} Planos paralelos são equivalentes tendo os mesmos índices. A simetria do sistema cúbico faz com que a família de planos tenham o mesmo arranjamento e densidade: a) {1 0 0} para faces do cubo b) {1 1 0} corta duas diagonais da face paralelas entre si, maior densidade no ccc c) <1 1 1> corta três diagonais da face com ângulo de 60º entre si, maior densidade no cfc (a) (b) (c) 63 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Planos para o Sistema Cúbico” - 64 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina - “Planos para o Sistema Cúbico” - 65 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina •Densidade linear = átomos / unidade de comprimento (igual ao fator de empacotamento em uma dimensão – direção) •Densidade planar = átomos / unidade de área (igual ao fato de empacotamento em duas dimensões – plano) Densidade Atômica Linear e Planar 66 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Alotropia / Polimorfismo Exemplo do Ferro Arranjos Atômicos / Estrutura Cristalina (ccc) (cfc) 3 4r a = 2 4r a = c a V VnFE ⋅= = 0,68 c a V VnFE ⋅= = 0,74 a – parâmetro de rede / r – raio atômico / n – número de átomos por célula unitária Va – volume de um átomo / Vc – volume da célula unitária / FE – fator de empacotamento 67 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Defeitos Pontuais: - Lacunas (ou Vacâncias) - Átomos Substitucionais - Átomos Intersticiais Defeitos em Linha: - Discordâncias (Cunha / Hélice / Mista) Defeitos Interfaciais - Contorno de Grão / Contornos entre Fases - Contorno de Macla - Falha de Empilhamento - Paredes de Domínios Ferromagnéticos Defeitos Volumétricos - Vazios / Porosidades - Inclusões / Precipitados / Outras fases - Trincas - Superfície Externa Defeitos Cristalinos 68 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programade Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Defeitos Cristalinos - “Defeitos Pontuais” - Lacuna (Vacância) Substitucional Intersticial 69 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Defeitos Cristalinos - “Defeitos Lineares” - Vetor de Burgers Extremidade da linha de discordância em cunha Vetor de Burgers, b Extremidade da linha de discordância em hélice 70 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Defeitos Cristalinos - “Defeitos Lineares” - Extremidade da linha de discordância em cunha Extremidade da linha de discordância em hélice Discordância Mista 71 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Defeitos Cristalinos - “Defeitos Lineares” - Micrografia de microscopia eletrônica de transmissão de uma liga de alumínio na qual as linhas escuras são discordâncias . (Aumento 51.540x) 72 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Defeitos Cristalinos - “Defeitos Interfaciais” - Ângulo de desalinhamento / desorientação Ângulo de desalinhamento / desorientação Contorno de grão de baixo ângulo Contorno de grão de alto ângulo Contornos de grão de baixo ângulo são formados por extremidades de discordâncias Conhecidos como contornos inclinados (tilt boundary) de ângulo de desalinhamento θ 73 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Defeitos Cristalinos - “Defeitos Interfaciais” - Plano de Macla (contorno) 74 Revisão Cristalografia Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Defeitos Cristalinos - “Defeitos Volumétricos” - Vazios / Porosidades / Inclusões / Precipitados / Outras fases / Trincas / Superfície Externa 75 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 76 Átomos Intersticiais • Solubilidade • Difusão • Efeitos no Endurecimento • Campos de Tensões • Interação com Discordâncias • Interação no Limite de Escoamento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 77Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Solução Sólida Intersticial / Vazios Octaédricos e Tetraédricos Solução Sólida Intersticial. Conceitos Fundamentais do Diagrama Fe-C Átomos Intersticiais CCC CFC Octaédrico Tetraédrico Átomos Metal Posições Intersticiais Átomos Metal (Solvente) Átomos Intersticiais (Soluto) 78Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Conceitos Fundamentais do Diagrama Fe-C Relação (r/R) Estrutura Octaédrico Tetraédrico FE cfc 0,414 0,225 0,74 ccc 0,154 0,291 0,68 Ferro Carbono Intersticial Substitucional Temperatura (ºC) Estrutura Raio Fe (Å) Raio do vazio octaédrico (Å) Raio do vazio tetraédrico (Å) ± 15% do raio do Fe (Å) Raio do carbono (Å) a 15ºC (grafita) 500 ccc 1,25 0,19 0,36 1,06-1,44 0,71 1000 cfc 1,29 0,53 0,29 1,10-1,48 Solução Sólida Intersticial / Vazios Octaédricos e Tetraédricos Átomos Intersticiais 79 Átomos Intersticiais Solubilidade Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Porque a solubilidade de átomos intersticiais numa dada estrutura muda? Variação na Dimensão do Parâmetro de Rede em função da temperatura 80 Átomos Intersticiais Solubilidade Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica (ccc) (cfc) 3 4r a = 2 4r a = c a V VnFE ⋅= = 0,68 c a V VnFE ⋅= = 0,74 a – parâmetro de rede / r – raio atômico / n – número de átomos por célula unitária Va – volume de um átomo / Vc – volume da célula unitária / FE – fator de empacotamento Variação do Parâmetro de Rede / Alotropia Exemplo do Ferro 81 Átomos Intersticiais Difusão Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Porque o coeficiente de difusão de um soluto varia num determinado sistema? Variação do parâmetro de rede em função da temperatura e estrutura cristalina Porque a difusividade varia entre diferentes soluto para um dado solvente? Variação da energia de ativação que é uma função da relação entre os raios atômicos soluto/solvente para uma dada temperatura Porque a difusividade varia com composição química? O aumento do número de posições intersticiais ocupadas pelos átomos de soluto para um concentração apreciável faz com que os átomos de soluto interajam/interfiram nos saltos (movimentos) de cada um. 82 Átomos Intersticiais Difusão Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica RT QDD o − = exp Ferro α Ferro γ Elemento Q cal/mol Do cm2/s Q cal/mol Do cm2/s Boro 62.000 10+6 21.000 2 x 10-3 Carbono 19.300 3,3 x 10-3 27.000 10-2 Nitrogênio 18.900 7,8 x 10-3 40.000 0,91 D = coeficiente de difusão ou difusividade Do = constante característica do sistema de difusão, fator de frequência Q = Energia de ativação para difusão R = Constante dos gases = 1,987 cal/mol.K T = Temperatura em Kelvin (K) A difusão intersticial não requer a presença de lacunas para que os átomos de soluto se movam. 83 Átomos Intersticiais Difusão Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Difusão do carbono em ferro cúbico de face centrada a 1127oC em função da composição. 84 Átomos Intersticiais Difusão e Solubilidade Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Diagramas de Equilíbrio: Fe-B (raio atômico B: 0,87Å) Fe-C (raio atômico C: 0,7Å) Fe-N (raio atômico N: 0,65Å) α - ferrita (ccc) / γ - austenita (cfc) 85 Átomos Intersticiais Efeitos no Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Os átomos intersticiais causam o efeito de endurecimento quando seu percentual ultrapassa o limite de solubilidade naquela solução sólida a uma dada temperatura e sob condição de resfriamento adequada para promover sua precipitação pela formação de novos compostos/precipitados que irão aumentar dureza do material metálico (maior dificuldade de movimentação das discordâncias). Ex.: 1) Precipitação de cementita (Fe3C) finamente dispersa no interior dos grãos de ferrita de um aço. 2) Formação de Perlita = composto lamelar dos aços formado lamelas intercaladas de ferrita e cementita. Veremos com mais detalhes os fenômenos de transformação de fases, de precipitação e mecanismo de endurecimento em aulas futuras. 86 Átomos Intersticiais Efeitos no Endurecimento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Outro exemplo da contribuição de átomos intersticiais no endurecimento é devido a tecnologia do uso de tratamentos termoquímicos para se obter uma camada endurecida na superfície de uma peça devido a difusão de átomos intersticiais originários de uma atmosfera de tratamento (a uma dada temperatura) para o interior da rede cristalina (na superfície da peça) formando uma região com maior concentração deste átomos intersticial, seguido de resfriamento acelerado para obtenção de uma microestrutura de elevada dureza (p.ex. Martensítica). Veremos com mais detalhes os fenômenos detransformação de fases associados a composição química e as microestruturas resultantes em aulas futuras. 87 Átomos Intersticiais Efeitos no Endurecimento - Nota: Tratamento Termoquímico / Difusão - Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Perfil de Distribuição de Soluto ( ) ( ) −−= Dt X erfCCCtXC oss 2, ( ) ( )∫ −= z dyyzerf 0 2exp2pi C(X,t) = concentração do soluto na posição x, no tempo t Cs = concentração de soluto na superfície Co = concentração inicial de soluto no aço X = distância a partir da superfície D = coeficiente de difusão t = tempo erf = função-erro 88 Átomos Intersticiais Efeitos no Endurecimento - Nota: Tratamento Termoquímico / Difusão - Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Perfil de Distribuição de Soluto Valores da Função Erro: erf(z) 89 Átomos Intersticiais Efeitos no Endurecimento - Nota: Tratamento Termoquímico / Difusão - Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Perfil de Distribuição de Soluto ( ) ( ) −−= Dt X erfCCCtXC oss 2, A equação é valida para as seguintes condições: C(X,∝) = Cs C(0,t) = Cs C(∝,t) = C0 90 Átomos Intersticiais Efeitos no Endurecimento - Nota: Tratamento Termoquímico / Difusão - Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Perfil de Distribuição de Soluto Para concentração de uma determinada distância (Xp) alcançar o valor intermediário entre o da superfície e o inicial, tem-se: ( ) 2 , os p CC tXC += Substituindo esse valor de C(Xp,t): 48,0 2 5,0 2 =→= Dt X Dt X erf pp ou seja: Xp = 0,96 Dt ou Xp ≅ Dt (Xp é a posição em que a concentração vale − 2 os CC ) 91 Átomos Intersticiais Campos de Tensões Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Os átomos intersticiais apesar do seu diminuto diâmetro atômico em comparação ao átomos do solvente, tem seu diâmetro superior a dimensão do diâmetro dos vazios intersticiais (tetraédricos e octaédricos), com isto sua localização prevê a formação de pequenas distorções na rede cristalina da vizinhança e por consequência a geração de campos de tensão. Devido a isto, há uma tendência dos átomos intersticiais se difundirem para junto das discordâncias. Intersticial 92 Átomos Intersticiais Interação com Discordâncias Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica As discordâncias criam campos de tensão elástico no cristal ao redor de si e gera um maior desarranjo atômico próximo a sua extremidade, onde os desarranjos não podem ser descritos elasticamente. Consequentemente, os solutos intersticiais (p.ex. C, N, etc.) que são maiores que os vazios intersticiais da matriz preferem ocupar as posições junto a as extremidades das discordâncias e também outras posições da matriz que estão localizadas em locais onde o campos de tensão elástico da discordância ajudam a maximizar o tamanho do desarranjo. 93 Átomos Intersticiais Interação com Discordâncias Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Por exemplo, quando um aço ferrítico (Fe ccc) é recozido e lentamente resfriado, os solutos intersticiais são capazes de se difundir e ocupar, preferencialmente, aquelas posições preferências de campos de tensão elástico. Assim, o soluto não é randomicamente disperso na matriz de ferro, mas sim segregado para posições preferenciais ao redor das discordâncias e ao longo de suas extremidades. Sendo assim, isto é verdade para discordâncias de qualquer tipo devido aos vazios octaédricos na estrutura ccc não serem simétricos, onde os solutos causam distorções tetragonais pelo deslocamento de dois vizinhos mais próximos do que dos outros quatro. Isto capacita a forte interação com os campos de tensão cisalhantes das componentes hélice bem como com os campos de tensão devido as componentes cunha das discordâncias. 94 Átomos Intersticiais Interação no Limite de Escoamento - Deformação Plástica em Metais por Deslizamento/Escorregamento - Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Tensão de cisalhamento Tensão de cisalhamento Tensão de cisalhamento Extremidade da discordância em linha Plano de Deslizamento 95 Átomos Intersticiais Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Tensão de cisalham ento Direção do movimento Direção do movimento Interação no Limite de Escoamento - Deformação Plástica em Metais por Deslizamento/Escorregamento - 96 Átomos Intersticiais Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Comparação do movimento da lagarta com o movimento da discordância Interação no Limite de Escoamento - Deformação Plástica em Metais por Deslizamento/Escorregamento - 97 Átomos Intersticiais Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Campo de tensão (compressão e tração) ao redor das discordância, atração x repulsão Interação no Limite de Escoamento - Deformação Plástica em Metais por Deslizamento/Escorregamento - 98 Átomos Intersticiais Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Exemplo: cfc Sistema de Deslizamento Interação no Limite de Escoamento - Deformação Plástica em Metais por Deslizamento/Escorregamento - 99 Átomos Intersticiais Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Interação no Limite de Escoamento - Deformação Plástica em Metais por Deslizamento/Escorregamento - 100 Átomos Intersticiais Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Interação no Limite de Escoamento - Deformação Plástica em Metais – Ensaio de Tração/Compressão - Tensão / Deformação de Engenharia Corpo de Prova Circular Padrão para Ensaio de Tração 101 Átomos Intersticiais Interação no Limite de Escoamento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica A interação entre os átomos de soluto intersticial e as discordâncias, p.ex. no ferro ccc a temperatura ambiente é muito grande. Quando o material é tratado termicamente ocorre a segregação destes para ao redor das discordâncias, p.ex. pelo envelhecimento a temperaturas que permitem a difusão do soluto, discordâncias são travadas e muitas tornam-se imóveis devido a movimentação das discordâncias cercadas por segregação de soluto requer uma alta tensão. Quando um ensaio de tração é conduzido numa amostra metálica a temperatura ambiente, a maior parte das discordâncias existentes não estão ativas para o escoamento. Quando a deformação plástica inicia somente poucos particulares locais nos materiais metálicos que deformam por deslizamento (p.ex. Aços) onde existem concentrações de tensão localizada que são capazes de ativar ou criar fontes de discordâncias. Consequentemente, no escoamento existirá uma baixa densidade de discordâncias móveis. Entretanto, a amostra é forçada a se alongar a um taxa de deformação imposta pela máquina de ensaio de modo que estas discordâncias necessitarão se movimentar rapidamente e isto requer uma alta tensão. 102 Átomos Intersticiais Interação no Limite de Escoamento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Quando as fontes de discordâncias (detalhes serão estudados mais a frente) são ativadas elas geram novas linhas de discordâncias e a densidade de discordância aumenta rapidamente. Isto significa que a taxa de deslizamento necessária para manter a taxa de deformação decresce e a tensão aplicada necessária para produzir aquela taxa tambémdecresce. O resultado é um fenômeno de ponto de escoamento de uma tensão superior e uma tensão inferior e o aparecimento do escoamento definido faz causar a formação e propagação de bandas de Luders ao longo da amostra. No ensaio de tração conduzido a altas temperaturas, o escoamento serrilhado ocorre por causa dos átomos solutos que são capazes de se difundir rápido o suficiente para acompanhar as discordâncias e imobilizá- las novamente. 103 Átomos Intersticiais Interação no Limite de Escoamento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Um defeito superficial importante que é comumente encontrado em chapas de aço baixo-carbono é a presença de nervuras de distensão. Este defeito se apresenta na forma de depressões superficiais que se assemelham as labaredas de fogo. Estas depressões aparecem primeiramente ao longo dos planos de tensão cisalhante máxima para depois, à medida que a deformação continua, espalharem-se aleatoriamente, juntando-se entre si para introduzir uma superfície uniformemente rugosa. A existência de nervuras de distensão está diretamente associada com a presença de um limite de escoamento descontínuo na curva tensão-deformação do metal e com a deformação não- uniforme que resulta da alongamento limite de escoamento descontínuo (deformação de Lüders). A principal dificuldade relacionada com as nervuras de distensão ocorre nas regiões da peça em que a deformação é inferior à alongamento do limite de escoamento descontínuo. 104 Átomos Intersticiais Interação no Limite de Escoamento Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica Curvas tensão x deformação de material recozido e após um passe de encruamento por laminação para eliminação do patamar de escoamento descontínuo. A solução usual para este problema é realizar uma pequena redução a frio na chapa de aço, da ordem de ½ a 2% em espessura. Esta laminação superficial, ou passe de acabamento, deforma o metal de uma quantidade suficiente para eliminar o escoamento descontínuo. No entanto, se o aço envelhece durante o período de estampagem, voltam a ocorrer o escoamento descontínuo e dificuldades com as nervuras de distensão. Outra solução, a nível de composição química, é a redução do teor de carbono em ordem de ppm, são os aços extra e ultra-baixo carbono, em conjunto com adição de elementos formados de carbonetos e nitretos. Impedindo dessa forma que o carbono e o nitrogênio permaneçam em solução sólida e se ancorem nas discordância contribuindo para formação do escoamento descontínuo. 105 Átomos Intersticiais Exercícios Respectivos a Difusão: 1.Para algumas aplicações é necessário endurecer a superfície de uma peça de aço (ou liga ferro-carbono). Um meio para atender este requisito é pelo aumento da concentração de carbono na superfície por um processo chamado de carbonetação: a peça de aço é exposta, a uma elevada temperatura, numa atmosfera rica em um gás de hidrocarboneto, como o metano (CH4). Considere uma liga que inicialmente tem uma concentração uniforme de carbono de 0,25% (em peso) e é tratada termoquimicamente a 950ºC. Se a concentração de carbono na superfície é repentinamente aumentada e mantida em 1,20% (em peso), o quão longo deve ser o tratamento para que se atinja um teor de carbono de 0,80% (em peso) na posição de 0,5 mm abaixo da superfície? O coeficiente de difusão para o carbono no ferro a esta temperatura (Fe γ - cfc) é 1,6x10-11 m2/s; assuma que a peça de aço é semi-infinita. Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica ( ) ( ) −−= Dt X erfCCCtXC oss 2, t = ? 106 Átomos Intersticiais Exercícios Respectivos a Difusão: 2. O coeficiente de difusão para o cobre no alumínio a 500ºC e 600ºC são 4,8 x 10- 14 e 5,3 x 10-13 m2/s, respectivamente. Determine o tempo aproximado a 500ºC para produzir o mesmo resultado difusional (em termos de concentração de Cu num específico ponto no Al), tendo como 10 h o tempo para o tratamento térmico a 600ºC. Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica ( ) ( ) −−= Dt X erfCCCtXC oss 2, t (600ºC) = 10h ( ) ( ) −−= Dt X erfCCCtXC oss 2, Para 600ºC: Para 500ºC: Co (500ºC) = Co (600ºC) X (500ºC) = X (600ºC) Cs (500ºC) = Cs (600ºC) C(X,t) (500ºC) = C(X,t) (600ºC) D (500ºC) = 4,8 x 10-14 m2/s D (600ºC) = 5,3 x 10-13 m2/s t (500ºC) = ? constante constante ou: 107 Átomos Intersticiais Exercícios Respectivos a Difusão: 3. Utilizando os dados da tabela abaixo, calcule o coeficiente de difusão para o magnésio no alumínio, o cobre no alumínio e o carbono no ferro alfa, todos a 550ºC, comparando os resultados obtidos para uma análise crítica dos mesmos no que diz a capacidade de difusão desses elementos solutos nos respectivos solventes. Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica 108 Átomos Intersticiais Exercícios Respectivos a Difusão: 4. Consulte o Livro “Fundamentals of Materials Science and Engineering, William D. Callister” e entre outros para ter acesso ao conteúdo detalhado respectivo a difusão e outros exercícios. Metalurgia Física Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica
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