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GRUPO DE ESTUDOS SOBRE FRATURA DE MATERIAIS DEMET/EM/UFOP DESCONTINUIDADES ESTRUTURA DE MATERIAIS Cristais perfeitos Resistência coesiva teórica e real Tipos de descontinuidades Descontinuidades eletrônicas Descontinuidades pontuais Descontinuidades lineares Descontinuidades superficiais Descontinuidades volumétricas DESCONTINUIDADES (DEFEITOS) DESCONTINUIDADES VOLUMÉTRICAS Tipos de descontinuidades cristalinas. Descontinuidades volumétricas são encontradas no material quando uma parte da estrutura é substituída por um volume de um composto diferente. A diferença é de natureza química, podendo ou não ser acompanhada de diferenças cristalográficas. A nível ainda microscópico, podemos considerar como descontinuidades volumétricas os precipitados, os dispersóides e as inclusões. Estes compostos foram apresentados neste capítulo, no item de soluções sólidas (fases intermediárias) e interfaces. A nível macroscópico temos: cavidades de contração e vazios de gás (durante a solidificação), trincas de transformação mecânica, defeitos de solda, etc. DESCONTINUIDADES VOLUMÉTRICAS BENÉFICAS MALÉFICAS MICROSCÓPICAS MACROSCÓPICAS Representação esquemática de partículas de segunda fase em um sólido cristalino. • precipitado coerente; • precipitado semi-coerente (dispersóide); • precipitado incoerente (inclusão). Precipitados Representação esquemática de partículas de segunda fase em um sólido cristalino. • precipitado coerente; • precipitado semi-coerente; • precipitado incoerente. Seqüência de precipitação em ligas de Al-Cu, MET. (a) zonas GP, 720.000X; (b) θ” , 63.000X; (c) θ’ , 18.000X; (d) θ , 8.000X. Precipitados coerentes em uma liga de Al-4%Ag, MET, 300.000X. Precipitados semi-coerentes ’ (morfologia de Widmanstätten) em uma liga de Al-4%Ag, Zonas GP podem ser vistas entre os precipitados ’ (por exemplo, em H). MET, 7.000X. Precipitação de carboneto de nióbio em contornos de subgrãos de aço microligado. MET. Precipitados do tipo CV em aço microligado. Interação entre contornos de alto ângulo e precipitados de M23C6 durante a recristalização do aço AISI 304. MET. Microestrutura da bainita superior, com Fe3C nos contornos das ripas de ferrita. MET. Carboneto metaestável precipitado em planos (100) de uma liga Fe- 0,013%C temperada a partir de 700oC e envelhecida 6h a 200oC. Cementita dendrítica de uma liga Fe-0,014%C temperada a partir de 740oC e envelhecida 10min a 260oC. Aço com 0,03%C, envelhecido a 600C. Efeito da precipitação nas propriedades de tração. As inclusões são partículas de dimensões muito variadas, de alguns mm (macro-inclusões) até menores que 1m (micro-inclusões). As inclusões podem ser classificadas como: a)Endógenas: são formadas durante o resfriamento da fase líquida, quer por cristalização, quer por reação química, a partir dos elementos do banho. Como exemplos têm-se os sulfetos, óxidos,silicatos, aluminatos e nitretos de ferro e de outros elementos. a)Exógenas: são formadas a partir de escórias ou de materiais refratários que são arrastadas pelo líquido e retidas durante a solidificação. Como exemplos encontram-se essencialmente inclusões de silicatos, geralmente de estrutura vítrea e arredondada. Inclusões não metálicas nos aços ÓXIDOS SULFETOS NITRETOS INCLUSÕES Diagrama esquemático das inclusões que se formam em lingotes de aços acalmados ao alumínio e as mudanças morfológicas destas inclusões após a laminação a quente. A = Al2O3; C = CaO. Aço bruto de fusão contendo FeS em rede. O baixo ponto de fusão do FeS faz com que esta fase seja a última a se solidificar, formando uma rede. O material fica fragilizado e não resiste ao trabalho a quente. Daí uma das razões para se adicionar Mn no aço: a adição de Mn em quantidade adequada resulta na formação do MnS, de ponto de fusão mais alto, que precipita a temperaturas mais elevadas. Inclusões de sulfeto de manganês nos aços. MEV, 1000X. (a) Tipo I; (b) Tipo II; (c) Tipo III. (a) Tipo I: Globular, formada somente quando oxigênio está presente no banho, por exemplo, em aços efervescentes. (b) Tipo II: Forma eutética interdendrítica, familiar nos aços acalmados. (c) Tipo III: Partículas angulares aleatórias, encontradas em aços completamente desoxidados. Inclusão de sulfeto de manganês. GESFRAM. Inclusões de sulfeto de manganês (500X) e de silicatos (1.000X) em aço. MO. Grande inclusão não metálica de óxido em aço fundido, temperado e revenido. A inclusão não é composta por uma única fase: há pequenas partículas que parecem metal preso na inclusão e outras partículas mais escuras , que deram origem a cometas no polimento da inclusão. Precipitado de TiN em uma amostra de aço ferrita-bainita do tipo DP-780. MEV. GESFRAM. Microestrutura (MO) de um aço IF, mostrando grãos de ferrita e precipitados de TiN. GESFRAM. Efeito da quantidade de enxofre na tenacidade à fratura de um aço 4345 endurecido e revenido a diversos níveis de resistência mecânica. Efeito de partículas de segunda fase na ductilidade do aço. Gladman et al. (1971). Fragilização intergranular de uma liga Fe-0,26%P após manutenção a 500oC. Fragilização ao revenido de um aço 4,5Ni-1,5Cr-0,3C fraturado a 77K. Elementos que segregam nos contornos de grãos do ferro.Fragilização intergranular: a) Segregação de átomos de soluto preferencialmente em contornos de grãos. b) Distribuição de partículas de segunda fase nos contornos de grãos. Interação entre elementos segregantes Sn, Sb e P com NI em contornos de grãos de aços Ni-Cr de mesma dureza e tamanho de grão. MacMahon, 1976. Efeito das concentrações de Sn, Sb e P na ductilidade de aços Ni-Cr de mesma dureza e tamanho de grão. MacMahon, 1976. Alguns elementos segregantes interagem com elementos de liga metálicos nos aços. Essas interações levam a uma co-segregação de elemento de liga e impurezas nos contornos de grãos, resultando no enfraquecimento da coesão entre os átomos. Gancho de aço moldado, mostrando vazios e porosidades. Influência de segregação sobre a resistência de um trilho. A trinca acompanha a região onde as impurezas se agruparam. Fora destas zonas o material apresenta razoável homogeneidade. Vazios, porosidades, segregação Defeitos do tipo trinca central e trinca frontal em produtos de lingotamento contínuo. Estas trincas são formadas pela contração brusca na etapa de solidificação do produto lingotado dentro do molde. Devem ser removidos por escarfagem ou por corte a gás. Defeito de lingotamento contínuo - superficial Defeitos do tipo trinca estrela (fissura ramificada) em produtos de lingotamento contínuo. A presença de óxidos muito finos de Mn e de Si é notada, indicando uma oxidação do aço líquido. Também é comum a presença de partículas de Cu, oriundo de fusão da camada superficial do molde, com consequente fragilização de contornos de grãos da austenita e gerando a trinca. Considera-se também a contaminação com pó fluxante como causadora desta trinca. Defeito de lingotamento contínuo - superficial Defeitos do tipo trinca longitudinal em placas e tarugos redondos. É um dos defeitos superficiais mais comuns, cuja origem está relacionada à lubrificação no molde que causa rupturas na pele solidificada. Defeito de lingotamento contínuo - superficial Representação esquemática do defeito do tipo trincas de quina em produtos lingotados, e a formação de borda serrilhada durante a laminação a quente de chapas de aço. As trincas se formam durante o desdobramento da placa no lingotamento. Este fato está ligado à formação de nitretos de Nb,V ou Al nos contornos de grãos da austenita, o que causa um poço de ductilidade entre, aproximadamente, 700oC e 900oC. Quando a temperatura da quina da placa, na região de desdobramento, está abaixo de 900oC, são geradas as trincas de quina. Defeito de lingotamento contínuo - superficial Exemplos de macrossegregação central em uma placa de 250mm de espessura e em uma chapa grossa de 13mm de espessura. Este tipo de defeito aparece na última região a solidificar da placa, ou seja, em seu centro. O defeito ocorre devido à concentração excessiva de certos elementos químicos no final da solidificação, em razão de sua menor solubilidade no estado sólido em relação ao estado líquido. Defeito de lingotamento contínuo - interno Representação esquemática do processo de formação da trinca central, e exemplos de casos reais em placas lingotadas. Corresponde na verdade a um vazio no interior da placa, devido à contração do metal. Este defeito está localizado na última região a se solidificar. O defeito é causado principalmente pelo desalinhamento, empeno ou desgaste dos rolos próximo ao ponto final de solidificação. Defeito de lingotamento contínuo - interno Ondulação: defeito nas laterais devido a resfriamento diferenciado entre lateral e centro da chapa ou flexão dos cilindros de laminação. Zipper: defeito no centro de chapas devido a baixa ductilidade do metal, acoplado a flexão dos cilindros de laminação. Trinca de borda: defeito de lateral da chapa devido a baixa ductilidade e/ou temperatura diferenciada entre lateral e centro da chapa. Boca de jacaré: Defeito de ponta em função do resfriamento nestes partes da peça sendo deformada. Acontece também na laminação de longos. É eliminado através descarte de pontas. Fonte: Fundamentos de Conformação Mecânica dos Metais, Francisco Boratto, 2011. Defeito de laminação de planos Fonte: Fundamentos de Conformação Mecânica dos Metais, Francisco Boratto, 2011. Dobra: defeito gerado por excesso de material na “luz” entre os cilindros, que é rebatida em cilindro posterior. Em seção transversal aparece com angulação diferente de 90º com relação a superfície do metal. Trinca: defeito que acontece durante a solidificação e que aparece posteriormente na laminação. Normalmente aflora a 90º com a superfície. Dobra de laminação. a) aparência macroscópica; b) corte transversal. Metalografia transversal mostrando “trincas”. Defeito de laminação de planos Fonte: Fundamentos de Conformação Mecânica dos Metais, Francisco Boratto, 2011. Canal quebrado: defeito que aparece de maneira periódica na superfície da peça sendo laminada e que é resultante de lascamento na superfície do cilindro. Frequentemente aparece uma trinca no fundo da impressão, conforme ilustrado na foto. Metalografia transversal mostrando “canal quebrado”. Porosidade central: defeito que acontece durante a solidificação e que pode aparecer posteriormente na laminação, caso os parâmetros desta laminação estiverem inadequados. Exemplo de porosidade central em dois passes intermediários de uma laminação de fio- máquina. Defeito de laminação de planos Fonte: Fundamentos de Conformação Mecânica dos Metais, Francisco Boratto, 2011. Descarbonetação: perda de carbono no forno de reaquecimento em função de excesso de tempo de reaquecimento, agravada pela temperatura e atmosfera não adequadas. Pode acontecer também durante a laminação ou no resfriamento pós laminação. Descarbonetação. a) Tipo 1 (total); b) Tipo 2 (parcial). Defeito de laminação de planos Trincas em carbonetos de aço inoxidável martensítico, devido a excessiva deformação plástica a frio. MO. Trincas e vazios em região de solda de manutenção em eixo de correia transportadora de minério. MO. GESFRAM. Defeitos em junta soldada (a) Presença de trincas acompanhando as (b) inclusões tipo sulfeto na zona termicamente afetada de uma solda. Defeitos em junta soldada Defeitos em junta soldada Rasgamento lamelar próximo a uma solda, seguindo o alinhamento de inclusões de sulfeto de manganês. Representação esquemática das características microestruturais de materiais metálicos. Fonte: Ernandes Rizzo, ABM, 2007. A Microestrutura dos Materiais Representação esquemática das características microestruturais dos materiais. A Microestrutura dos Materiais Classificação das microestruturas em função da forma (morfologia) e da distribuição das fases presentes. A Microestrutura dos Materiais • A.F.Padilha: Materiais de Engenharia – Microestrutura e Propriedades, Hemus, 2000. • W.D.Callister e D.G.Rethwisch: Ciência & Engenharia de Materiais, 8a Edição, GEN/LTC, 2012 • R.E. Reed-Hill, R,Abbashian, L.Abbashian : Physical Metallurgy Principles, 4th Edition, Cengage Learning, 2009. • R.E.Smallman e A.H.W.Ngan: Physical Metallurgy and Advanced Materials, Elsevier, 2007. • G.E.Dieter : Mechanical Metallurgy, 3rd Edition, McGraw-Hill Book Co., 1988. • M.A.Meyers & K.K.Chawla : Mechanical Behavior of Materials, 2nd Edition, Cambridge University Press, 2009. • J.P.Bailon e J.M.Dorlot: Des Materiaux, 3th Edition, École Polytechnique de Montréal, 2000. Bibliografia
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