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Resumo P2 – Metalurgia Física Aula 7: Endurecimento por trabalho a frio Resistência à deformação é inverso a mobilidade das discordâncias. Estrutura cristalina determina o n°, tipos de sistemas de deslizamento, tensão de atrito e fixa o vetor de Burgers. Discordância estendida não pode realizar deslizamento cruzado. Mecanismos de endurecimento Na curva tensão x deformação nota-se que após o limite de proporcionalidade a tensão continua aumentando, logo ocorre um aumento de resistência pela deformação do material. Deformação plástica → movimentação e emaranhamento de discordâncias → encruamento → + tensão necessária para discordância se mover → aumento da resistência do material. Tensão de escoamento → relacionada com a estrutura das discordâncias Densidade de discordâncias → comprimento total das linhas de discordâncias por unidade de volume. é a tensão de escoamento. é a tensão quando extrapola p/ zero é a densidade de discordâncias Curva tensão x deformação verdadeira é mais adequada para analisar o encruamento do metal. Obs: as equações são válidas até o ponto máximo. Depois ocorre a estricção e a deformação é restrita nesta região. Instabilidade Plástica Inicia na estricção, normalmente a partir da carga máxima. Instabilidade plástica ocorre devido à perda de equilíbrio entre o aumento da resistência (devido ao endurecimento) e aumento da tensão (devido a redução da área). Normalmente, em algum defeito do material. Critério de Considère: estricção se inicia quando o aumento da tensão devido à redução da área, é maior do que o aumento da capacidade de carga da amostra, devido ao encruamento. Aula 8: Discordância e contorno de grãos Contorno de grão → interrompem a rede cristalina e: Em baixas temperaturas: são resistentes e não enfraquecem o metal; Em altas temperaturas: são mais fracos e levam a fratura intergranular. Bragg e Burges: contornos entre cristais de mesma estrutura podem ser considerados como arranjo de discordâncias. -contorno de baixo ângulo(>10-15°): arranjo vertical de discordâncias; - contorno é visto como um arranjo de discordâncias em cunha; - quanto maior o ângulo, mais próximas as discordâncias estão do eixo vertical. Energia do contorno de grão Há uma energia associada a cada discordância e ao arranjo (formando o contorno de grão). Energia superficial: Na equação: é a energia por unidade de área (J/m²), é o módulo de cisalhamento, b é o vetor de Burgers, é a contabilidade de fatores para a energia do núcleo de deslocamento, é a proporção de Poisson. Tensão Superficial de Contorno de Grão Tensão superficial aumenta com o ângulo de desorientação entre os grãos, até 20° e depois fica constante. Estimativa da tensão superficial, levando em conta que a tensão superficial entre os grãos está em equilíbrio: Metais puros com cristais de orientação aleatória → energia do contorno é constante em todos os grãos. Contornos entre cristais de diferentes fases Ligas de 2 fases → 2 tipos de contornos possíveis: separando cristais de mesma fase e de fase diferentes. Quando a tensão superficial entre as duas fases tende a meio, o ângulo diedro tende a zero. Quando o ângulo tende a zero, a segunda fase se move , formando um filme fino entre os cristais da primeira fase. Efeito do tamanho de grão nas propriedades mecânicas Contornos de grão agem como barreiras ao movimento das discordâncias, devido a: - diferença de orientação dos grãos → discordâncias tem que mudar de direção para passar de um ângulo pro outro. - descontinuidade nos planos de deslizamento, devido a desordem atômica. Bloqueio de discordâncias pelos contornos de grão → empilhamento de discordâncias → isso origina a concentração de tensões. k depende de dois fatores: Quanto maior a tensão para ativar as discordâncias, maior o k; Quanto mais sistemas de deslizamento, mais deformação plástica, menor é o k. Sistemas: CFC → k pequeno → discordâncias pouco bloqueadas e muitos sistemas de deslizamento. HCP → k grande→ poucos sistemas de deslizamento. CCC→ k grande→ discordâncias fortemente bloqueadas. Quanto + contorno de grão → + obstáculos ao movimento de discordâncias → menos discordâncias serão empilhadas no contorno → menos concentração de tensões → dificuldade de liberação das fontes do grão vizinho → aumento da dureza do metal. Refino de grão (+contornos) em aços: uso de elementos microligantes e laminação controlada. Laminação controlada→ retardam a recristalização dos grãos austeníticos do aço e precipitam os elementos microligantes, impedindo o crescimento do grão. Elementos microligantes→ controlam crescimento dos grãos de austenita, evitam o crescimento excessivo dos grãos recristalizados, aumentam a resistência do material. Após um certo tamanho de grão, a relação de Hall-Petch não é mais válida → materiais nanocristalinos. Aula 9: Defeitos pontuais • Vacâncias → sítio vago da rede cristalina que normalmente seria ocupado por um átomo. Podem ser formadas por movimento de átomos do interior para a superfície do cristal. Deve ser vencida uma barreira energética para que o átomo mude de sítio → energia vem das vibrações da rede. temperatura → + energia → maior movimento. •Concentração de vacâncias em equilíbrio em função da temperatura O aumento da energia livre do cristal varia com o n° de vacâncias: Onde, é a energia livre do sistema; é o n° de vacâncias; w é o trabalho requerido para formar vacâncias;T é temperatura e é a entropia do sistema. deve ser mínimo para o equilíbrio, logo existe um n° de vacâncias que torna isso possível, logo: , nv<<<<<n0. , onde w = trabalho para formar uma vacância (J); k é a constante de Boltzmann (J/K); T a temperatura absoluta em K; nv o número de vacâncias e n0 o número de átomos; wN = Qf (energia de ativação necessária para formar um mol de vacâncias); kN = R. Aula 10: Defeitos pontuais - soluções sólidas •Adição de elementos de liga resulta em: formação de uma solução sólida; formação de segunda fase. •Solução sólida: mistura homogênea de duas ou mais espécies atômicas no estado sólido. Elemento de liga → soluto (menos quantidade) Matriz → solvente (maior quantidade) •2 tipos de soluções sólidas: Substitucional → os átomos de soluto ocupam posições dos átomos de solvente. Intersticial → os átomos de soluto ocupam os espaços vazios ou interstícios que existem entre os átomos de solvente. •Regras de Hume-Rothery para a solubilidade: 1.Fator de tamanho atômico: os diâmetros atômicos não devem diferir por mais de 15% (distorção da rede). 2.Estrutura cristalina: cristalizar na mesma estrutura. 3. Eletronegatividade: proximidade na série eletroquímica (ligação metálica e não formar compostos intermetálicos). 4. Valência do soluto: mesma valência ou maior que a do hospedeiro. •Para solutos intersticiais (C, H, O, N) → soluto < 0,59 solvente. •Mecanismos de endurecimento - Solução Sólida 1.Fator de tamanho relativo (interação elástica) → se origina da diferença no tamanho dos átomos de soluto e solvente, que desenvolverá distorções elásticas na rede. 2.Fator de módulo relativo: ocorre quando um átomo de soluto altera a rigidez local da rede cristalina. Átomos de soluto com menor módulo reduzirá a energia do campo de deformação. 3.Interação química: formação de falhas de empilhamento. Aumento de átomos de soluto na região de falha → redução da energia da falha → aumenta a separação das discordâncias parciais → dificulta o movimento das discordâncias. 4.Interação configuracional: movimento de discordâncias → reduz o grau de ordenamento → aumenta a energia da liga → isso é termodinamicamente desfavorável. •Interação de discordâncias - Átomos de soluto Substiucionais→ reduzem a energia livre do cristal quando localizados: Átomos grandes: regiões de tração de discordâncias em cunha; Átomos pequenos: região de compressão das discordâncias em cunha. Intersticiais→ provocamexpansão do reticulado → são atraídos para regiões em tração das discordâncias em cunha., Essas interações podem originar: -2ª fase precipitando em regiões de discordâncias; -Atmosferas de Cottrell: átomos de soluto migram para regiões de discordâncias para reduzir a energia de deformação e dificultar a movimentação destas discordâncias. •Atmosferas de soluto Discordância se movimenta → soluto de sua atmosfera fica para trás (movimento de soluto por saltos entre interstícios) → novos átomos são incorporados ocorrendo um realinhamento de soluto. Interação discordância-atmosfera de soluto → dificuldade de movimento das discordâncias→ gera tensão de arraste → essa tensão deve ser ultrapassada para que o movimento continue. •Limite de escoamento definido e banda de Lüders Limite de escoamento→ material amolece e sofre deformação plástica. Isso se inicia em pontos de concentração de tensão, como as bandas de Lüders. Bandas de Lüders→ bandas discretas de material deformado. No patamar→ tensão é constante e necessária para propagar as bandas de Lüders. Teoria de Cotrell para limite de escoamento definido: limite superior de escoamento: tensão necessária para livrar discordâncias de suas atmosferas de soluto. limite inferior de escoamento: tensão necessária para mover discordâncias. •Envelhecimento por deformação A resistência do metal aumenta e a ductilidade diminui com o aquecimento a temperaturas relativamente baixas, do metal previamente deformado a frio. O metal endurece em decorrência do envelhecimento após deformação plástica. Há o reaparecimento do limite de escoamento definido pelo reancoramento de discordâncias e formação de atmosferas de soluto Aula 11: Recozimento •Trabalho a frio → deformação plástica em em T<0,5 Tf. Aumenta a resistência, dureza, resistividade elétrica, e diminui a ductilidade. •Energia armazenada no trabalho a frio -Maior parte é dissipada em forma de calor; - Uma parte é armazenada como energia de deformação; - Energia armazenada pode aumentar com: maior severidade da deformação, redução de T, usando ligas. •Relação entre energia livre e energia de deformação → amolecimento ocorre espontaneamente e só depende da cinética. Além disso, também envolve movimentos de vacâncias e por isso precisa de temperatura. •Recozimento → Tratamento térmico em que o metal sofre aquecimento controlado até atingir determinada temperatura, permanece nessa temperatura por um certo tempo e sofre resfriamento lento no próprio forno. Objetivos: reduzir dureza, remover tensões, aumentar ductilidade, ajustar o tamanho de grão, etc. •Recozimento anisotérmico: aquecimento contínuo do metal trabalhado a frio e a energia liberada é determinada em função da temperatura. •Recozimento isotérmico: energia é medida enquanto a amostra é mantida a temperatura constante. No pico máximo (ambas as curvas) → alta liberação de energia. Recristalização → crescimento de grãos livres de deformação durante a liberação de energia. Recuperação → quantidade menor de energia liberada antes do processo de recristalização. •Recuperação -Propriedades físicas e mecânicas tendem a retornar seus valores originais (alaterados pelo trabalho a frio), mas não na mesma taxa. -Complexidade da deformação a frio, aumenta na seguinte ordem: monocristais deformados por cisalhamento simples; monocristais deformados por cisalhamento múltiplo; policristais. - Recuperação pode ser expressa em termos de energia de ativação, pela equação: •Aniquilação de discordâncias -Favorece a recuperação, a partir da aproximação de discordâncias de sinais opostos. •Poligonização -Associados a materiais plasticamente fletidos. -Cristal fletido recozido → divide-se em pequenos segmentos de cristais perfeitos. -Reagrupamento de discordâncias em contornos de baixo ângulo → reduz a energia de deformação → remove a curvatura geral da rede. força motriz para poligonização -Poligonização→ aumenta com T→ escalonamento depende do movimento de discordância → p/ maiores T é menor a tensão crítica para o deslizamento. •Recuperação dinâmica -Formação de subgrãos durante a deformação plástica. -Quanto maior T→ mais mobilidade de discordâncias. -Recuperação dinâmica é importante para a deformação a quente dos metais. -Consequência: abaixa a taxa de endurecimento por trabalho a frio. -Ocorre me metais com alta energia de falha de empilhamento. Adição de 1elementos de liga reduz essa energia. -Mecanismo principal → escorregamento cruzado termicamente ativado. •Recristalização -Processos de nucleação→ crescimento de novos cristais (livres de deformação) a partir de cristais deformados. -Força eletromotriz→ energia armazenada na deformação a frio. -Maior T → menor tempo para a recristalização. •Temperatura de recristalização: -Aquela onde há 100% de recristalização em 1h. •Efeito da deformação na recristalização -Metal com mais deformação a frio recristaliza mais rápido. -Energia de ativação é função da quantidade de deformação. •Taxa de nucleação e de crescimento de núcleos -Taxa de recristalização depende da taxa de nucleação e de crescimento dos núcleos→ determinando o tamanho do grão final. -Descrito por: -Grãos pequenos→ alta nucleação e baixo crescimento. -Grãos grandes→ baixa nucleação e alto crescimento. -Cristais se formam em pontos de alta energia de deformação (intersecção de linhas de escorregamento, contornos de grão e maclas). •Modelos para formação de núcleos 1.Embojamento de contornos→ uma porção de um grão mais perfeito migra para o menos perfeito, formando um embojamento que se ultrapassar o raio crítico, formará um núcleo. 2.Coalescência de subgrãos→ Combinação de subgrãos para formar uma região livre de deformação de tamanho suficiente para crescer. Envolve movimento de discordâncias, certa temperatura, deslizamento e escalonamento. •Tamanho de grão recristalizado -Tamanho do grão logo após a recristalização e antes do crescimento. -Depende do grau de deformação e da temperatura de recozimento. -N: taxa de nucleação e G: taxa de crescimento -N/G alto→ tamanho de grão pequeno -N/G baixo → tamanho de grão grande -Ambas as taxas diminuem quando se diminui a deformação. •Resumindo: 1.Taxa de recristalização depende: -T de recozimento -Quantidade de deformação -Pureza ou composição -Tamanho de grão inicial 2.Tamanho de grão recristalizado: -independe da T de recozimento -depende da quantidade de deformação Pureza -Maior pureza→ maior taxa de recristalização -Soluno no contorno → menos energia elástica → menos movimento do contorno → menor taxa de recristalização. Tamanho de grão inicial -Menor tamanho de grão inicial→ maior taxa de nucleação → menor tamanho de grão recristalizado. •Crescimento de grão -Força motriz→ redução da energia superficial do contorno. Modelos para o crescimento de grão -Coalescência geométrica: súbito desenvolvimento de um grão bem maior, com muitos lados, que deverá crescer rapidamente. -Fenômeno importante para materiais com forte textura. •Lei de Crescimento de grão •Átomos de impureza em solução sólida -Atmosferas de soluto em contornos de grão → reduzem energia do contorno → reduzem sua movimentação. •Impurezas na forma de inclusões -Partículas ou inclusões podem inibir o crescimento do grão. -Mais partículas → mais retardado será o crescimento de grão. -Em altas T: partículas dissolvem ou coalescem→ não são mais eficazes. Aula 12: Fases •Fase → parte macroscopicamente da matéria. •Tipos de fase: -Metal puro -Solução sólida terminal→ fase baseada na estrutura cristalina de um dos componentes. -Fases intermediárias → estruturas cristalinas diferentes daquelas dos componentes: solução sólida ou composto. •Termodinâmica das soluções •Equilíbrio entre duas fases -Energia livre parcial molar é a mesma em todas as fases. -A T e P constantes, não há mudançade energia livre parcial molar quando duas fases estão em equilíbrio. •Regra das fases -Dentro de uma fase há 2 graus de liberdade, ou seja, T e P podem mudar que mesmo assim a fase se mantém. Ex: pontos a e a’. -Quando se tem 2 fases → 1 grau de liberdade. -Quando se tem 3 fases→ 0 graus de liberdade. Aula 13: Diagrama de Fases •Composição de fase -Quanto de cada fase está presente em uma dada temperatura. •Quantidade ou proporção de fase -Regra da alavanca. •Ponto congruente → solidificação ocorre sem mudança de composição ou temperatura, similar a de um metal puro. •Sistemas eutéticos binários -Reação Eutética: líquido formando dois sólidos. -a microestrutura apresenta uma mistura das duas fases sólidas. •Hipoeutético e Hipereutético •Transformações importantes: •Fases intermediárias -Aparecem como: solução sólida,compostos intermetálicos (linhas verticais) e composto. Aula 14: Transformação de Fase 1 - Transformação difusional no estado sólido •Transformação congruente simples, dependente de difusão -Não muda o n° ou composição de fases. • Transformação incongruente dependente de difusão -n° e composição de fases são alterados •Transformação sem difusão (ou martensítica) -ocorre muito rapidamente resultando a formação de uma fase metaestável. • Estágios da transformação de fase: -Nucleação: pode ser heterogênea (núcleo se forma em defeitos) ou homogênea (núcleo se forma no interior do material). -Crescimento: aumento da nova fase, controlado por difusão. •Cinética das transformações de fases -Equação de Avrami: fração de fase transformada em função do tempo, para certa temperatura. -Força motriz→ mudança de energia livre. Essa força diminui com o aumento da transformação da fase. •Super-resfriamento -Mudança inicial de energia livre é proporcional ao super-resfriamento. -Super-resfriamento: quantidade de resfriamento abaixo da T em que a fase inicial é estável. -Taxa inicial de transformação de fase aumenta com a quantidade de super-resfriamento. Essa taxa também depende da mobilidade do sistema. -mobilidade diminui com o aumento do super-resfriamento. -Logo, reduz mobilidade → aumenta super-resfriamento → aumenta a taxa inicial de transformação de fase. •Diagrama Tempo-Temperatura-Transformação (TTT) -aumenta super-resfriamento → aumenta a taxa inicial de transformação de fase. -taxa de difusão diminui com o aumento da temperatura → esse efeito passa a ser dominante e após isso a taxa de transformação diminui novamente (curva em C). •Energia livre x Temperatura -→ mudança na energia livre/volume para transformar em em T1. -Mais negativa se é mais estável que . •Nucleação homogênea em sólidos -Mudança da energia livre com a nucleação: 1.uma das fases causará a diminuição da energia livre de volume, a partir da criação de um volume de fase. 2.Criação de área de interface aumenta a energia livre. 3.Aumenta a energia de deformação . -Energia de deformação→ reduz força motriz de nucleação. -Existe um valor máximo de → * → barreira de energia para a nucleação. Está associada ao raio crítico, r*. * e r* diminuem com o aumento do super-resfriamento. Existe um tamanho crítico para os núcleos, tais que: núcleos menores tendem a desaparecer; núcleos maiores tendem a crescer → núcleos estáveis. -Há uma probabilidade de que um núcleo de tamanho crítico possa se formar espontaneamente. -Se cada núcleo pode se tornar a uma tava por segundo, a taxa de nucleação será dada por: Aula 15: Transformação de fase 2 •Nucleação Heterogênea •Nucleação heterogênea no estado sólido -Defeitos são sítios para nucleação. -Nucleação em contornos de grão→ forma otimizada→ menor energia interfacial→ duas calotas esféricas. -A nucleação em contornos de grão é similar a solidificação em um substrato e os mesmos resultados se aplicam. •Discordâncias -nucleação é possibilitada devido a distorção da rede por: -redução de energia livre crítica; -maior mobilidade atômica; -outros. •Vacâncias -Aumenta a taxa de difusão; -diminui a energia de deformação; como é pequeno, a nucleação deve ocorrer para: -baixa energia interfacial; -baixa energia de deformação; -alta força motriz. •Taxa de nucleação heterogênea • Cinética de crescimento -Velocidade de crescimento é zero na temperatura de transformação. •Crescimento controlado por difusão -Precipitação de uma segunda fase de composição da matriz. -Modelo de Zener: precipitado cresce como uma placa em direção normal à sua interface. •Interferência entre partículas em crescimento -várias partículas em uma distância finita→ redução de velocidade de crescimento→ influencia o valor do gradiente de concentração na superfície. •Crescimento controlado por interface -concentração da matriz diminui com o crescimento do precipitado → força motriz de crescimento diminui → está relacionado com o grau de supersaturação. -o equilíbrio local não é obtido na interface como no caso do crescimento controlado por difusão. - crescimento controlado por interface é mais lento que o por difusão. Aula 16: Endurecimento por precipitação Distribuição fina de precipitados→ tratamentos térmicos → aumento da resistência mecânica → endurecimento por precipitação. Requisito para o endurecimento por precipitação: a liga deve ter uma grande diminuição de solubilidade sólida com a redução de T, para um ou mais elementos de liga. •Tratamento térmico -3 estágios: 1.Solubilização: ocorre em elevadas T, para dissolver os elementos de liga. 2.Têmpera: formação de uma solução sólida supersaturada (SSS) de elementos de liga na matriz. 3.Envelhecimento: decomposição controlada da SSS p/ formar uma dispersão de precipitados. Pode ocorrer em qualquer temperatura abaixo da linha solvus. É função da temperatura e da composição. Temperatura baixa→ difusão lenta, não ocorre precipitação apreciável. Temperatura alta→ velocidade de difusão alta, endurecimento rápido, mas também alta taxa de crescimento dos precipitados. Baixas concentrações de soluto → grau de supersaturação é pequeno, nucleação de segunda fase é difícil, dureza máxima é pequena. Altas concentrações de soluto → maior dureza, obtida em tempos mais curtos maior taxa de nucleação (maior ), e maior taxa de crescimento (maior quantidade de soluto disponível). •Estágios intermediários 1.Zonas GP→ concentração localizada de átomos B em plano específico do metal A, a partir de difusão. 2.Zonas GP agem como sítios de nucleação para uma fase intermediária coerente → átomos a ficam distorcidos para acomodar a nova fase → deformação coerente. 3.Precipitados ficam maiores→ formação de discordâncias na interface→ parte da deformação coerente é liberada → precipitados semi-coerentes. 4. Fase de equilíbrio: obtida depois do envelhecimento por tempo suficiente. -essa fase tem estrutura cristalina diferente da matriz→ incoerente com a matriz; -deformação coerente é eliminada; -novo contorno de fase entre matriz e precipitado. •Termodinâmica da precipitação -Energia livre da liga é uma média ponderada da energia livre das fases. -Curvas de energia livre são mais baixas para fases mais estáveis. • Cinética da precipitação -Diagramas TTT -Velocidade de precipitação varia com a temperatura: - Altas T → velocidade lenta → baixa supersaturação, decréscimo da energia livre com precipitação é pequena, taxa controlada pela velocidade de nucleação. -Baixas T → lenta → difusão lenta. -Médias T→ velocidade moderada de nucleação e difusão → máximo na taxa de precipitação. • Consequência da precipitação de segunda fase - Endurecimento -Mecanismos: -Endurecimento por deformação coerente Deformação coerente (causados por zonas GP e precipitados incoerentes) → dificuldade de movimento das discordâncias → endurecimento. Depende do n° de zonas GP ou precipitados; graude deformação de cada e espaçamento entre zonas ou precipitados (pouco espaçamento → limitado acréscimo na obstrução da discordância / médio espaçamento → endurecimento máximo (discordâncias entram em regiões de maior tensão interna) / grande espaçamento → discordâncias se movem sem restrição). -Endurecimento Químico Resultado do aumento de tensão necessária p/ cortar/cisalhar um precipitado coerente ou semi-coerente. A tensão é aumentada por 3 causas: 1.energia requerida para aumentar a área interfacial zona/matriz; 2. energia necessária para criar um contorno de anti-fase em precipitados ordenados; 3. mudança na distância de separação de discordâncias dissociadas. -Endurecimento por dispersão Resulta do aumento da tensão necessária para que a discordância contorne o precipitado ou partícula incoerente. Mecanismos: arqueamento, escalonamento e deslizamento cruzado. Modelo de Orowan → tensão necessária para forçar uma discordância passar por um obstáculo é inversamente proporcional à separação dos precipitados, λ. Após isso, é formado um anel ao redor das partículas e isso gera um aumento na taxa de encruamento. •Curva de envelhecimento → somatório do efeito dos três mecanismos Formação de zonas GP → redução de átomos em solução sólida → contribuição do endurecimento por solução diminui durante o envelhecimento. Deformação coerente → aumenta a dureza → zonas GP nucleiam e crescem. Maior n° e tamanho de precipitados coerentes → maior contribuição de precipitado químico. Formação de precipitados incoerentes → endurecimento por dispersão é predominante → diminui o crescimento de precipitados com o envelhecimento.
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