03 Deformação plástica dos sólidos cristalinos

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Deformação plástica nos monocristais
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Relação estrutura cristalina ➾ plasticidade dos metais;
Inicialmente: entender a deformação plástica nos monocristais:
Excluir os efeitos dos CG;
restrições impostas pelos grãos vizinhos
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Deformação plástica nos monocristais
Ordem de planos empacotados:
CFC: ABCABCABC…;
HC: ABABABABA…;
CFC/HC: FE=0,74;
CCC: FE=0,68;
Cúbico simples: FE=0,52;
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CFC e HC
A deformação plástica é normalmente confinada a planos de baixo índice;
Planos de maior densidade atômica são os mais espaçados;
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Planos mais compactos
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Defeitos na rede
Desvio da periodicidade perfeita;
Há propriedades sensíveis a estrutura:
limite de escoamento e resistência;
condutividade elétrica;
resistência a fluência, etc.
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Defeitos na rede
Pontuais:
lacunas;
substitucionais e intersticiais;
Linha:
discordâncias: aresta ou espiral;
Superfície ou planar;
contornos de grão;
maclas;
falhas de empilhamento;
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Tipos
Lacunas: produzidos:
excitação térmica;
deformação (trabalho a frio);
irradiação;
Em grande número, podem formar vazios;
Intersticiais e substitucionais: Podem ser de átomos da própria rede ou impurezas;
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Defeitos pontuais
Mais importante defeito em linha;
Responsável pelo deslizamento;
Região de distúrbio do cristal: separa uma região deslizada de uma não deslizada;
Na ausência de obstáculos, uma discordância pode mover-se pela aplicação de uma pequena força;
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Discordâncias
Tipos:
aresta;
espiral;
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Discordâncias
Define a magnitude e direção do cisalhamento que uma discordância produz;
Definido por um circuito ao redor da discordância:
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Vetor de Burgers (b)
Vetor de Burgers (b): quantidade de deslocamento da discordância;
b é sempre perpendicular a linha da discordância;
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Discordância em aresta
A rede é distorcida na região da discordância;
compressivo acima do plano de deslizamento;
trativo abaixo do plano de deslizamento
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Discordância em aresta
Pode deslizar em uma direção perpendicular a seu comprimento;
Pode se mover verticalmente por escalagem ➾ dependente de difusão (maior em altas Ts);
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Discordância em aresta
Linha de discordância é paralela ao vetor de Burgers (vetor de deslizamento);
Não apresenta um plano de deslizamento preferível (movimento menos restrito)
Não realiza escalagem;
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Discordância em espiral
Deformação plástica: deslizamento de blocos do cristal ao longo de planos	 cristalográficos definidos(planos de 						 deslizamento);
Usa tensão cisalhante (t);
Deslizamento: ocorre quando							 t > valor crítico;
Deformação por deslizamento
Átomos se movem uma distância interatômica inteira
Ocorre em direções e planos específicos;
Plano e direção de deslizamento: geralmente aqueles com maior densidade/empacotamento atômico;
Os planos mais densos são os mais afastados;
D + P de deslizamento: sistema de deslizamento;
HC: {0001}<1120>: 3 SD;
CFC: {111}<110>: 12 SD;
CCC*: {110}<111>, {112}<111>, {123}<111>: 48 SD;
* Não apresenta um plano de máximo empacotamento como o {0001}HC ou {111}CFC. Requer maiores t para o DLZ.
Deformação por deslizamento
Deslizamento: considerado uma translação de um plano de átomos sobre outro
Deslizamento em uma rede perfeita
Conceito introduzido para explicar a diferença entre os valores teóricos e empíricos de resistência;
Deslizamento pelo movimento de discordâncias
Átomos longe da discordância: posição de mínima energia;
Na discordância: só um pequeno movimento de átomos é requerido;
Deslizamento pelo movimento de discordâncias
Quando o plano atinge a superfície: degrau com valor de 1 vetor de Burgers (uma distância atômica na rede cúbica simples);
Deslizamento pelo movimento de discordâncias
A largura de uma discordância: balanço entre energia interfacial e energia elástica do cristal;
A largura da discordância determina a força para movimentá-la pelo cristal (força de Peierls-Nabarro)
Deslizamento pelo movimento de discordâncias
Materiais com discordâncias largas requerem menores tensões para movimentá-las;
Os planos mais compactos (e com maiores espaçamentos) requerem menores energias para a movimentação das discordâncias;
b é minimizado;
Se a<b, t é alta
Estruturas cristalinas complexas: discordâncias tendem a ser imóveis
Deslizamento pelo movimento de discordâncias
A deformação cisalhante macroscópica é um efeito da movimentação de cada discordância;
A movimentação de uma discordância produz um degrau de comprimento b;
Deslizamento pelo movimento de discordâncias
Uma tensão crítica deve ser atingida para o deslizamento;
A extensão do deslizamento depende da:
magnitude da t produzida por forças externas;
Estrutura cristalina;
Orientação dos PD em relação a t;
O deslizamento se inicia quando t no SD (PD+DD) atinge um valor crítico;
Conhecido como TENSÃO CISALHANTE RESOLVIDA CRÍTICA;
Em monocristais corresponde ao LE em uma curva tensão-deformação;
Depende primordialmente de composição e temperatura;
Tensão cisalhante crítica para o deslizamento
Deslizamento pelo movimento de discordâncias
A tensão cisalhante é máxima para f=l=45°;
O que ocorre se o PD for paralelo ou perpendicular ao eixo de tração?
TCCR é afetada por:
Impurezas;
População de discordâncias;
Interação das discordâncias entre si e com defeitos;
A razão entre a TCCR e a tensão axial é conhecida como 
Deslizamento pelo movimento de discordâncias
Ao tracionar um monocristal, o alongamento ocorre a rotação do PD e DD na direção do eixo de tração;
Deformação de monocristais
Alta simetria dos 12 SD;
Ampla gama de possibilidades de deslizamento;
O maior m (f. Schmidt) determina o SDinicial;
Pode ocorrer deslizamento em SD primário e conjugado: deslizamento duplex;
Alto grau de encruamento;
Deformação em cristas CFC
Outro importante mecanismo de deformação;
Uma porção do cristal toma uma orientação relacionada ao resto da rede não maclada;
Há um “espelhamento” da rede;
O cristal macla ao longo do plano de maclagem;
Cada átomo na região maclada move-se uma distância cisalhante proporcional à distância do plano de maclagem;
A macla é visível após o ataque pois apresenta uma orientação diferente da região não maclada;
Deformação por Maclagem
Deformação por Maclagem
Maclas se diferem das discordâncias (deslizamento):
Discordância(DD):orientação do cristal aquém e além do PD não muda; Maclagem: muda a orientação; link
Deslizamento (DLZ): múltiplos discretos do espaçamento atômico: Maclagem: movimento < que o espaçamento atômico;
As maclas podem ser produzidas por deformação mecânica ou por recozimento após a deformação plástica;
Mecânicas: metais CCC e HC. Necessitam de Shock loading;
Recozimento: ocorrem em metais CFC e depende da energia de falha de empilhamento;
Deformação por Maclagem
Não é um mecanismo de deformação predominante nos metais com muitos SD;
Maclas ocorrem geralmente quando:
SD são restritos ou;
TCCR é aumentada (tensão de maclagem < tensão para o DLZ);
Ex. Baixas Ts e alta taxa de deformação e PD desfavoráveis aos Pl. de DLZ;
A deformação total produzida pela maclagem é pequena;
Mudanças de orientação por maclagem podem ativar novos SD;
As maclas não se extendem além do CG;
Deformação por Maclagem
Deformação por Maclagem
Maclas de deformação no Fe-Si
Maclas de recozimento no Ni
Cristalograficamente, maclas de deformação e recozimento são idênticas. 
Representam falhas de empilhamento em sucessivos planos de maclagem;
{111}CFC: ABCABCABC...;
{0001}HC:ABABABA...;
Podem ser produzidas por deformação;
Falhas de empilhamento
Também podem ser extrínsecas (ou macla);
Consideradas maclas submicroscópicas 
maclas mecânicas não se formam prontamente nos CFC devido as FE;
Falhas de empilhamento
≠ no comportamento em deformação dos CFC são devidas a diferenças no comportamento das FE;
A criação da FE HC em um metal CFCinduz uma região de maior energia livre;
Pode ser considerada uma discordância extendida (as fronteiras são discordâncias parciais);
Repulsão entre as discordâncias parciais (abrir)
X
tensão superficial da FE (fechar)
Falhas de empilhamento
Falhas de empilhamento
FE controlam a deformação plástica:
Conceito de energia de falha de empilhamento (EFE);
Metais com largas FE (baixa EFE): encruam + rápido, maclam + fácil no recozimento e tem diferente relação entre escoamento e temperatura;
Ex: Cu e ligas;
Metais com estreitas FE (alta EFE): deformação com subestruturas de discordâncias (bandas e arranjos lineares);
Ex: Al e ligas;
Falhas de empilhamento
Deformação heterogênea do cristal;
Marcam uma região de orientação cristalográfica diferente;
Alinham-se com a direção de deformação principal;
Bandas de deformação
Bandas de deformação
(setas) em Al deformado
(morno)
No HC é difícil deformar quando o plano basal é ± // ao eixo do cristal;
Em compressão, pode haver um dobramento, com encurtamento do cristal (kinking);
A distorção do cristal é restrita a banda de dobramento;
Bandas de dobramento
Tensão cisalhante para o deslizamento cresce continuamente com a deformação cisalhante;
Causado pela interação entre as discordâncias em com barreiras;
Metal recozido: 105-106 cm-2;
Encruado: 1010-1012 cm-2;
Multiplicação de discordâncias:
Fontes de Frank-Read;
Condensação de lacunas;
Deslizamento cruzado múltiplo;
Emissão a partir de CG;
Encruamento de monocristais
Encruamento de monocristais
DD se empilham em barreiras nos PD;
Os empilhamentos produzem uma tensão de retorno (back stress) à tensão aplicada;
Encruamento de monocristais
Efeito Bauschinger: reversão da direção de deslizamento:
Escoamento em uma menor tensão;
DD de sinais opostos são criadas nas mesmas fontes;
Aniquilação e amolecimento da rede;
Ex: endireitamento;
Encruamento de monocristais
Tipos de barreiras:
Impurezas;
Precipitados;
Outras discordâncias;
Podem produzir DD que não estão no PD de baixa tensão cisalhante:
DD de baixa mobilidade (sessile dislocation);
Barreiras ao movimento de outras DD até t atingir valor para quebrar a barreira;
DD no PD cortam outras DD (que interceptam o PD ativo);
Encruamento dos monocristais
Interação DD-DD cria um degrau na linha da DD;
Os degraus restringem o movimento das DD;
Encruamento de monocristais
Deslizamento cruzado (DLZ-C): restrito a discordâncias em espiral (DDespiral);
Desliza do PD primário para outro plano que contém a direção de deslizamento;
Linha da DDespiral // a b: não há um plano definido;
DDespiral pode se mover em qq PD, contanto que possa ser // a orientação original (direção de deslizamento em comum);
Permite que Ddespiral contornem obstáculos;
Se o DLZ-C é restringido: encruamento;
Formação de degrau em DDespiral impede seu movimento (podem formar lacunas ou intersticiais);
Encruamento de monocristais
Curvas t-g de monocristais (CFC):
Encruamento de monocristais
Curvas t-g de monocristais (CFC):
Estágio I: deslizamento fácil;
Pouco encruamento;
DD se movem sem muitas barreiras;
DLZ ocorre em apenas um SD;
Estágio II: região linear da curva;
Encruamento cresce rapidamente;
DLZ em + de um sistema;
Formação de diversas barreiras de Lomer-Cottrell;
Formação de estrutura celular de DD;
Relação entre r e t: t=t0+aGbr1/2;
Encruamento de monocristais
Curvas t-g de monocristais (CFC):
Estágio III: recuperação dinâmica;
Queda da taxa de encruamento;
DLZ-C (DD empilhadas nos obstáculos durante o EII);
Escapam e reduzem o campo de tensões;
Influência de T;
Reduz EI e EII: induzir um segundo SD e DLZ-C é + fácil;
EFE: menor EFE aumenta a tensão para o DLZ-C. Difuculta o EIII;
Encruamento de monocristais
Há desvios da curva em função:
EFE, Pureza, T, Tx de deformação;
EI é + provável em cristais HC que em CFC;
Orientação do cristal também é importante;
Encruamento de monocristais