Aula 5 Materiais de Construção Mecânica

Prévia do material em texto

DISCORDÂNCIAS 
-Discordâncias – São defeitos unidimensionais (linerares) – O 
cristal é perturbado apenas na região da linha da discordância. 
 
-Discordâncias movem-se sob influência de forças externas, 
causando tensões internas no cristal. 
 
-A área varrida pela discordância denomina-se Plano de 
Deslizamento 
 
-Discordâncias em aresta (linha) podem ser resultado de 
aglomeração de defeitos pontuais ( átomos intersticiais que 
formem um extra-plano) 
 
-Vetor de Burger – Vetor necessário para fechar o circuito no 
cristal de referência 
Vetor de Burgers 
 
A distorção da rede cristalina, associada a uma discordância, é 
expressa, em magnitude e em direção, pelo vetor de 
Burgers b; 
 
O vetor de Burgers de uma discordância é um vetor que 
quantifica a diferença entre a estrutura distorcida em torno 
de uma discordância e a estrutura perfeita => ele 
especifica a direção e a magnitude do deslocamento 
atômico que ocorre quando uma discordância se move; 
- Discordância move-se em resposta a uma tensão externa 
-Logo que a tensão crítica de cisalhamento é alcançada, a 
discordância começa a movimentar-se, sendo a deformação não 
mais elástica, mas sim plástica (a discordância não se moverá 
de volta quando a força for retirada). 
 
-A linha de discordância move-se no seu plano de 
deslizamento, e produz, após deixar o cristal (e desaparecer) 
um degrau elementar na superfície (cristal ficará livre de 
tensões). 
 
-Para deformação macroscópica, milhões de discordâncias 
terão que movimentar-se, em vários planos cristalinos. 
 
 
– Os defeitos interfaciais são contornos que possuem duas 
dimensões e normalmente separam regiões do material que 
possuem diferentes estruturas cristalinas e/ou diferentes 
orientações cristalográficas; 
 
– Os defeitos planos podem ser classificados em: 
• Superfícies externas; 
• Contornos de grão; 
• Fronteiras entre fases (interfaces); 
• Contornos de maclas ou twins; 
• Falhas de empilhamento; 
 
DEFEITOS INTERFACIAIS 
Defeitos Interfaciais 
4.1 - Contorno de grão 
– O material policristalino é caracterizado por muitos cristais 
(grãos) com mesma estrutura mas orientações diferentes. 
No interior de cada grão os átomos estão arranjados 
segundo um único modelo e única orientação; 
– O contorno de grão corresponde à região que separa dois 
ou mais cristais de orientações diferentes; 
 
 
 
Defeitos Interfaciais 
– Pode-se observar vários graus de desalinhamento 
cristalográfico entre grãos adjacentes: 
• Pequeno desencontro da orientação (poucos graus) 
=> contorno de grão de baixo ângulo; 
• Grande desencontro da orientação (muitos graus) => 
contorno de grão de alto ângulo; 
 
 
 
Defeitos Interfaciais 
Lingote de alumínio policristalino 
Exemplos de contornos de grãos 
4.2 - Contornos de macla (twins ou cristais gêmeos) 
– Um contorno de macla é um tipo especial de contorno 
de grão onde existe uma simetria em espelho da rede; 
– Os átomos em um lado do contorno são “imagens” dos 
átomos do outro lado do contorno; 
– A região entre estes contornos é chamada de macla, que 
ocorre num plano definido e numa direção específica, 
dependendo da estrutura cristalina; 
Plano de Macla 
(contorno) 
– Os principais mecanismos da maclação são: 
 
• Tensões Mecânicas (Maclas de deformação): 
ocorrência de deslocamentos atômicos produzidos 
por cisalhamento. Observadas em metais com 
estruturas CCC e HC; 
 
• Tratamento Térmico de Recozimento (Maclas de 
Recozimento): encontradas geralmente em metais 
com estrutura cristalina CFC; 
 
As maclas são representadas pelas regiões delimitadas por 
retas paralelas 
Imperfeições Volumétricas 
 Inclusões (exemplos) 
Inclusões de óxido de cobre 
(Cu2O) em cobre de alta 
pureza (99,26%), laminado 
a frio e recozido a 800oC. 
 Sulfeto de manganês 
(MnS) 
em aço rápido . 
Imperfeições Volumétricas 
- Porosidade 
– As figuras abaixo apresentam a superfície de ferro puro 
durante seu processamento por metalurgia do pó; 
– Nota-se que, embora a sinterização tenha diminuído a 
quantidade de poros bem como melhorado sua forma (estão 
mais arredondados), permanece uma porosidade residual; 
Pó de Fe compactado a 
550MPa. 
Pó de Fe compactado após 
sinterização a 1150oC por 120min 
em atmosfera de hidrogênio. 
Recristalização 
Cada estrutura cristalina ( CFC, CCC,etc.) possui diferentes: 
 a) planos de deslizamento permitidos, que ocorrem em 
ângulos específicos com as tensões aplicadas. 
 
 b) direções de deslizamento, ocorrendo em outros ângulos. 
 
Planos e direções ativas de deslizamento dependem da 
tensão máxima de cisalhamento. 
 
 Tensão de cisalhamento – é responsável pela ocorrência do 
deslizamento planar. 
 
 Planos de deslizamento ativos são os planos com MAIOR 
densidade atômica. 
 
 Direções de deslizamento ativas são as direções com a 
MAIOR densidade atômica. 
b 
b 
PLANOS E DIREÇÕES DA ESTRUTURA CÚBICA DE FACE CENTRADA 
Planos (111) nas direções <110> 
Sistemas de deslizamento: 4 x 3 = 12 
Normal ao 
Plano de 
Deslizamento Direção de 
Deslizamento 
FN 
FS Normal 
AΦ 
Direção de 
Deslizamento 
Força Normal FN = ? 
Cisalhamento FS = ? 
AΦ = ? 
σN =FN/AФ = ? 
ТS = FS/AФ = ? 
σ = F/A 
φ 
φ 
A 
A0 = 
Cos φ = A/A0 
A0 
Cos φ 
A 
F
N 
FS 
AΦ 
Φ 
λ 
Normal 
τ – Tensão de cisalhamento = Carga de cizalhamento 
 instantânea, dividida pela área original. 
 
 
τR – Tensão de cisalhamento resolvida – Tensão de 
 tração (ou compressão) aplicada que é resolvida 
 em uma componente de cisalhamento, ao longo 
 de um plano e uma direção específica naquele 
 plano. 
τRC – É a Tensão de cisalhamento resolvida, dentro de 
 de um plano de escorregamento, necessária para 
 iniciar o escorregamento. 
Plano 
desliza
mento 
Força F 
Tcrítica < T max 
Razão: Discordâncias atuam favorecendo a 
ocorrência do deslizamento para valores de 
Tcritica < Tmax 
Considere um monocristal de ferro com estrutura CCC orientado 
 de tal modo que uma tensão de tração seja aplicada ao longo de 
 uma direção [0 1 0]. 
a – Calcule a tensão de cisalhamento resolvida ao longo de um 
plano (110) e em uma direção [-1 1 1] quando é aplicada uma 
 tensão de tração de 52 MPa. 
b – Se o escorregamento ocorre em um plano (110) e a direção 
 [-1 1 1] e a tensão de cizalhamento crítica resolvida é de 
30 MPa, calcule a magnitude da tensão de tração que deve ser 
 aplicada para dar início ao escoamento. 
X 
Y 
Z 
Considere um monocristal de ferro com estrutura CCC orientado de tal modo que 
uma tensão de tração seja aplicada ao longo de uma direção [0 1 0]. 
a – Calcule a tensão de cisalhamento resolvida ao longo de um plano (110) e em 
um direção [-1 1 1] quando é aplicada uma tensão de tração de 52 MPa. 
b – Se o escorregamento ocorre em um plano (110) e a direção [-1 1 1] e a tensão 
de cizalhamento crítica resolvida é de 30 MPa, calcule a magnitude da tensão de 
tração que deve ser aplicada para dar início ao escoamento. 
MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS 
 
1- Aumento da resistência por redução de tamanho de grão 
 
-Contorno de grão atua como barreira ao movimento das discordâncias 
-Devido às diferentes orientações cristalográficas dos grãos, 
as discordâncias terão dificuldade de vencer os contornos de grão 
 
 
 
2-Aumento de resistência por solução sólida 
 
-Átomos de impureza entrando em solução sólida substitucional 
ou intersticial 
- Impõem deformações sobre as redes cristalinas 
-- Resulta no aumento do limite de resistência à tração e de 
escoamento e redução na dutilidade. 
 
 
 
3 – Encruamento 
-Fenômeno pelo qual o metal dútil torna-se mais duro e mais resistente, após 
 ser submetido à deformação plástica. 
-Também denominado “ Trabalho a Frio” (TF). 
 
-TF = A0 – Ad x 100 
 A0 
A0 Área original da seção reta 
Ad Área após a deformação 
-Densidade de discordâncias aumenta com a deformação a frio (Frank – Reed) 
 
-Movimento de uma discordância é prejudicado pela presença de outras 
 
-A tensão necessária para deformar um material aumenta com o trabalho a frio 
Calcule o limite de resistência à tração de um bastão cilíndrico de cobre quando 
ele é trabalhado a frio, de tal modo que seu diâmetro seja reduzido de 15,2 mm 
para 12,2 mm. 
 
 
 
 
 
 
Solução 
- Primeiramente determinamos o percentual de trabalho a frio 
15.2 mm 
 2 
2 
π 12.2 mm 
 2 
2 
π 
15.2 mm 
 2 
 
2 
 π 
x 100 TF = = 35,6 % 
O limite de resistência à tração é lido diretamente da curva do cobre 
 
340 MPa 
RECUPERAÇÃO, RECRISTALIZAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃO 
 
1- RECUPERAÇÃO : No aquecimento inicial , ocorre difusão e consequente 
 
redução do número de discordâncias. 
 
 - Algumas propriedades físicas (condutividade elétrica e térmica) são 
 
 recuperadas, a valores anteriores ao trabalho a frio. 
 
 - Grãos ainda apresentam estado de energia de deformação elevado. 
 
 - Necessário tratamento de RECRISTALIZAÇÃO 
 
 
2- RECRISTALIZAÇÃO 
 
a)Formação de um novo conjunto de grãos equiaxiais, livres de deformação. 
 
b)Baixas densidades de discordâncias. 
 
c)Força motriz para produzir estrutura recristalizada: Diferença de energia 
 
interna do material submetido a deformação e do material sem deformação. 
 
d) Formação e crescimento de núcleos, gerando nova estrutura. 
 
 
a – Estrutura de grãos submetida ao trabalho a frio 
 
b – Estágio inicial de recristalização (580 0 C) 
c- Substituição parcial de grãos trabalhados a frio por grãos recristalizados 
d – Recristalização completa 
e- Crescimento de grão após 15 mim a 580 0 C 
f – Crescimento de grão após 10 min a 700 0 C 
 
Temperatura de recristalização – É a temperatura na qual uma liga completa o 
 
 processo de recristalização em 1 hora 
-Estágios de recuperação, recristalização e crescimento de grão no Tratamento 
 
-Térmico de Recozimento.