Discordância e mecanismos de aumento de resistência

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Fundamentos dos materiais de construção
8 – Discordância e mecanismos de aumento de 
resistência
Universidade Federal de Santa Maria – UFSM
Departamento de Engenharia de Produção e Sistemas
Curso de Engenharia de Produção
Prof. Cristiano J. Scheuer
ONDE ESTAMOS?
 Introdução à ciência dos materiais.
• 1ª Avaliação:
 Estrutura e ligações atômicas.
 Estrutura dos sólidos cristalinos.
 Imperfeições nos sólidos cristalinos.
 Solidificação dos metais e ligas.
 Difusão em sólidos.
 Propriedades mecânicas dos materiais.
 Discordância e mecanismos de aumento de resistência.
ROTEIRO DA AULA
• Introdução.
• Características das discordâncias.
• Sistemas de escorregamento.
• Escorregamento em monocristais e policristais.
• Mecanismos de aumento de resistência em metais.
• Recuperação, recristalização e crescimento de grão.
• Conceitos básicos.
OBJETIVOS DA AULA 8
• Descrever o movimento das discordâncias em perspectiva atômica.
• Correlacionar deformação plástica com movimento das discordâncias.
• Definir sistema de escorregamento, e citar exemplos.
• Descrever a alteração estrutural de um material pela sua deformação.
• Explicar o efeito dos contornos de grãos sobre a deformação plástica.
• Explicar o aumento de resistência por solução sólida e encruamento.
• Explicar o aumento de resistência por redução do tamanho de grão.
• Explicar a recuperação, recristalização e crescimento de grão.
INTRODUÇÃO
• 1OS estudos  cálculos teóricos de resistência  valores muito
maiores que os medidos.
• Teoria das discordâncias  iniciada em 1930  comprovada em
1950 (microscópio eletrônico).
• Teoria das discordâncias  explica muitos fenômenos físicos e
mecânicos nos materiais.
• Deformação plástica  permanente  movimento de átomos 
ligações rompidas e reformadas.
• Sólidos cristalinos  deformação plástica  movimento das
discordâncias.
CONCEITOS BÁSICOS
• Tipos de discordâncias.
• Deformação  movimento das discordâncias.
• Escorregamento.
• Plano de escorregamento.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 171. 
CONCEITOS BÁSICOS
• Resultado do movimento dos dois tipos de discordância.
• Analogia com o movimento da lagarta:
Todos materiais tem discordâncias  Densidade de discordâncias 
Densidades 10 3 (metal cuidadosamente solidificado) 10 9 – 10 10 (metal altamente deformado) 10 5– 10 6 (comum)
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 172. 
CARACTERÍSTICAS DAS 
DISCORDÂNCIAS
• Analisando melhor uma discordância.
 Campos de deformação influenciam:
− Mobilidade das discordâncias
− Habilidade em se multiplicar
Durante a deformação: ± 5% da energia fica retida 
(energia de deformação - discordâncias)
E o resto?
 Tensão de compressão, tração e cisalhamento.
Compressão
Tração
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 172. 
CARACTERÍSTICAS DAS 
DISCORDÂNCIAS
• Interação entre discordância (campos de distorção):
Novas discordâncias  multiplicação das existentes  formação 
de novas discordâncias  concentradores de tensão.
Repulsão
Atração
Eliminação da 
discordância
(cristal perfeito)
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 173. 
SISTEMAS DE 
ESCORREGAMENTO
• Facilidade de movimentação depende do plano e direção cristalográfica.
• Depende da estrutura  Distorção mínima.
• Plano de escorregamento (maior densidade).
• Direção de escorregamento (direção mais densa).
Sistema de escorregamento
 Plano de escorregamento.
 Direção de escorregamento.
SISTEMAS DE 
ESCORREGAMENTO
• Planos compactos família {111}.
• Direção de escorregamento  família <110>.
• {111} <110> conjunto de planos e direções de escorregamento.
• CFC – 12 sistema (4 planos com 3 direções).
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 174. 
SISTEMAS DE 
ESCORREGAMENTO
• Sistemas podem se tornar operativos à temperaturas elevadas.
• CCC e CFC  normalmente dúctil.
• HC  normalmente frágil.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 1745. 
ESCORREGAMENTO EM 
MONOCRISTAIS
• Discordâncias se movem em resposta a tensões de cisalhamento
• Tensão de cisalhamento rebatidas (R)
• Escoa somente se a R (max) = tcrc
• Componentes de cisalhamento  exceção direções  e .
Tensão mínima
• Para cada sistema de escorregamento uma R ≠.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 176. 
ESCORREGAMENTO EM 
MONOCRISTAIS
• Degraus na superfície.
• Linhas de escorregamento
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 176. 
• Alongamento prolongado aumento n° de linhas.
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM 
MATERIAIS POLICRISTALINOS
• Orientação aleatórios dos grãos.
• Direção de escorregamento varia de grão à grão.
• A coesão entre grão é mantida.
• Os grãos se distorcem.
• Material policristalino é mais resistente que
monocristalino.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 179 e 180. 
DEFORMAÇÃO POR 
MACLAÇÃO
• Outro tipo de deformação.
• Ocorre em planos e direções cristalográficas específicos.
• Orientação cristalográfica e deslocamento ≠ para macla e escorregamento.
• CCC e HC em baixas T, sob elevadas taxas de carregamento.
• No escorregamento a magnitude de deformação é maior.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 180. 
MECANISMO DE AUMENTO DE 
RESISTÊNCIA NOS METAIS
• Projetar ligas de alta resistência mecânica, dúcteis e tenazes.
• Normalmente o aumento de resistência sacrifica a ductilidade.
• Relacionar resistência mecânica com o movimento de discordâncias.
• Restrição ao movimento de discordâncias confere maior resistência.
• Técnicas de aumento de resistência → limitar movimento das discordâncias.
 Redução de tamanho de grão.
 Formação de ligas por solução sólida.
 Encruamento → deformação plástica a frio.
AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
PELA REDUÇÃO DO TAMANHO 
DE GRÃO
• Cada grão tem uma orientação diferente.
• Atua como barreira para o movimentas discordâncias.
Caso do contorno de grão 
de alto e baixo ângulo.
• Granulação fina e granulação grosseira → propriedade do material.
 Mudança de direção (restrição de movimento para ângulos elevados).
 Descontinuidade do plano de deslizamento (desordem atômica).
Plano de 
deslizamento
Grão A Grão B
Contorno de 
Grão
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 180. 
AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
PELA REDUÇÃO DO TAMANHO 
DE GRÃO
Importante: Redução do tamanho de grão é o único dos mecanismos que aumenta a 
resistência mecânica e a tenacidade (buscar sempre estrutura refinada).
Atenção: quando o grão é muito 
grosseiros ou muito fino a equação de 
Hall-Petch não se aplica.
• Equação de Hall-Petch:
d
k y
y  0
Constantes do 
material
Tamanho de Grão (mm)
d-1/2 (mm-1/2)T
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Latão
70 Cu – 30 Zn
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 182 e 183. 
Tamanho de grão
AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
PELA REDUÇÃO DO TAMANHO 
DE GRÃO
• Como endurecer o material por refino de grão?
− Controle da solidificação (taxa de resfriamento).
− Tratamento térmico (normalização).
− Tratamento mecânico seguido de tratamento térmico (recristalização).
 Controle do tamanho de grão.
AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
POR SOLUÇÃO SÓLIDA 
(IMPUREZAS)
• Interação entre campo de tensões das discordâncias e campos de
tensões gerados pela solução sólida.
• Razão dos metais de alta pureza serem mais dúcteis e menos
resistentes (aplicações onde se deseja elevadas deformações).
Átomo menor (tensão trativa) Átomo Maior (tensão compressiva)
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 184. 
AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
POR SOLUÇÃO SÓLIDA 
(IMPUREZAS)
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 184. 
AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
POR ENCRUAMENTO
• Deformação à temperatura ambiente.
• Técnicas comuns de conformação:
-Forjamento
Ao Ad
força
die
força
-Trefilação
Força de 
tração
Ao
Ad
die
-Extrusão
ram billet
container
container
força
die holder
die
Ao
Adextrusion
100 x %
o
do
A
AA
TF


-Laminação
roll
Ao
Ad
roll
AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
POR ENCRUAMENTO
• Cada liga responde de uma maneira ao trabalho a frio.
• Encruamento resulta da multiplicação das discordâncias.
• Deformação a frio na última etapa de processamento.
Aço 1040
Aço 1040
Aço 1040
Latão
Latão Latão
Cobre
Cobre
Cobre
% de trabalho a frio
% de trabalho a frio
% de trabalho a frio
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Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 185. 
AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
POR ENCRUAMENTO
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 186. 
AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
POR ENCRUAMENTO
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 146. 
RECUPERAÇÃO, 
RECRISTALIZAÇÃO E 
CRESCIMENTO DE GRÃO
• Deformação a baixa temperatura (relativa ao ponto de fusão):
• Energia de deformação armazenada.
• Reversão de propriedades:
 Zonas de tração, compressão e cisalhamento das discordâncias.
 Recozimento (recuperação e recristalização →crescimento de grão).
RECUPERAÇÃO, 
RECRISTALIZAÇÃO E 
CRESCIMENTO DE GRÃO
• Recuperação:
− Movimentação das discordâncias.
 Uma parte da energia de deformação é liberada.
 Rearranjo atômico  difusão (temperatura).
 Redução do número de discordâncias.
RECUPERAÇÃO, 
RECRISTALIZAÇÃO E 
CRESCIMENTO DE GRÃO
• Recristalização:
 Após recuperação grãos ainda apresentam energia de deformação elevada.
 Recristalização  Formação de novos grãos livres de deformação.
 Força motriz  diferença de energia interna.
 Grãos de formam e crescem  difusão.
 Propriedades mecânicas restauradas (mais macio e dúctil, menos resistente).
 Depende do tempo, da temperatura e do %TF.
RECUPERAÇÃO, 
RECRISTALIZAÇÃO E 
CRESCIMENTO DE GRÃO
33 % TF 3 s a 580 °C
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 189. 
RECUPERAÇÃO, 
RECRISTALIZAÇÃO E 
CRESCIMENTO DE GRÃO
4 s a 580 °C 8 s a 580 °C
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 189. 
RECUPERAÇÃO, 
RECRISTALIZAÇÃO E 
CRESCIMENTO DE GRÃO
15 min a 580 °C 10 min a 700 °C
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 189. 
RECUPERAÇÃO, 
RECRISTALIZAÇÃO E 
CRESCIMENTO DE GRÃO
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 190. 
RECUPERAÇÃO, 
RECRISTALIZAÇÃO E 
CRESCIMENTO DE GRÃO
• Recristalização:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 190. 
 ↑Trabalho a frio 
↓ Temperatura de recristalização.
 Deformação crítica.
− Metais puros (0,4Tf).
− Ligas (até 0,7Tf).
RECUPERAÇÃO, 
RECRISTALIZAÇÃO E 
CRESCIMENTO DE GRÃO
• Recristalização:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 191. 
RECUPERAÇÃO, 
RECRISTALIZAÇÃO E 
CRESCIMENTO DE GRÃO
• Crescimento de grão:
 Força motriz  redução da energia dos contornos de grão.
 Processo difusivo.
 Os grãos maiores crescem e os menores diminuem.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 192. 
RECUPERAÇÃO, 
RECRISTALIZAÇÃO E 
CRESCIMENTO DE GRÃO
• Crescimento de grão:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 193. 
O QUE É IMPORTANTE 
LEMBRAR?
• Como a deformação pode ocorrer:
 Discordâncias (tensão de cisalhamento), Planos e direções.
 Macla.
• Mecanismo de endurecimento:
 Redução de tamanho de grão.
 Solução sólida.
 Encruamento.
• O que é recuperação, recristalização e crescimento de grão.
REFERÊNCIAS 
• CALISTER, W.D.; RETHWISCH, D.G. Ciência
e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª
ed. São Paulo: Editora LTC, 2012.
► Capítulo 7 – Discordância e mecanismos de aumento
de resistência.
→ Páginas: 169 – 193.