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Introdução a Ciência dos Materiais Propriedades Mecânicas Professora: Maria Ismenia Sodero maria.ismenia@usp.br Tópicos abordados 1. Mecanismos atômicos deformação elástica e da deformação plástica 2. Definição de sistema de escorregamento 3. Deformação plástica em monocristais 4. Deformação plástica em metais policristalinos 5. Deformação por maclagem 6. Recozimento de metais trabalhados a frio 7. Ensaio de tração Comportamento Tensão-Deformação 0 0.04 0.05 0.08 0.100.02 0 250 500 Deformação, e (mm/mm) T en sã o , s (M P a) Plástica Elástica fratura O Módulo de Young, E, (ou módulo de elasticidade) é dado pela derivada da curva na região linear. Mecanismos atômicos deformação elástica DEFORMAÇÃO ELÁSTICA O mecanismo fundamental da deformação elástica é o estiramento das ligações atômicas; A deformação fracionária do material na região elástica é pequena, de modo que estamos lidando com a parte da curva de força X separação atômica na vizinhança imediata da distância de separação em equilíbrio dos átomos; Relação entre a deformação elástica e o estiramento das ligações atômicas Módulo de elasticidade A inclinação da região linear inicial da curva tensão-deformação é o módulo de elasticidade, ou módulo de Young. É uma medida de rigidez do material. Quanto menor é o módulo, menor é a deformação elástica resultante da aplicação de uma determinada carga. Determinado pela força de ligação entre os átomos. Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi Mecanismos atômicos deformação plástica Discordâncias Defeito responsável pelo fenômeno de deslizamento, através do qual se deforma a maioria dos metais. Este defeito auxilia na explicação da discrepância entre os valores teóricos e experimentais da resistência dos metais no cisalhamento. Arranjo dos átomos em torno de uma discordância em cunha (“edge dislocation”) Discordância em linha Plano de escorregamento Linha da discordância aresta Discordâncias e deformação por deslizamento 1 2 3 4 5 6 tensão cisalhante tensão cisalhante tensão cisalhante tensão cisalhante Sistemas de Deslizamento • Premissa: o material vai buscar sempre manter a sua integridade estrutural. • O deslizamento ocorre preferencialmente segundo direções e planos cristalográficos específicos, sendo os planos cristalográficos aqueles de maior densidade atômica e a direção cristalográfica a mais compacta deste plano. • A combinação entre os planos e as direções forma os sistemas de deslizamento (slip systems), característicos das diferentes estruturas cristalinas. • Devido à simetria translacional da rede cristalina, a estrutura cristalina é perfeitamente restaurada após ter ocorrido o deslizamento, desde que a deformação seja uniforme. Deslizamento de um plano compacto Pequeno deslizamento Pequena energia Mais provável Deslizamento de um plano não compacto Grande deslizamento Grande energia Menos provável Sistemas de deslizamento Sistemas de deslizamento (cont.) Estrutura Cristalina Planos de Deslizamento Direções de Deslizamento Número de Sistemas de Deslizamento Geometria da Célula Unitária Exemplos CCC {110} {211} {321} <111> 6x2 = 12 12 24 a-Fe, Mo, W CFC {111} <110> 4x3 = 12 Al, Cu, g-Fe, Ni HC {0001} {1010} {1011} <1120> 3 3 6 Cd, Mg, a- Ti, Zn Sistemas de escorregamento HC: O plano basal (0001) é o único de grande densidade atômica, sendo os eixos diagonais <1120> as direções compactas. Uma vez que existe apenas um plano basal por célula unitária e três direções <1120> , a estrutura hc possui apenas 3 sistemas de deslizamento – apresentam baixa ductilidade e fortemente dependente da orientação. CFC: Os planos {111} e as direções <110> formam os sistemas compactos. Existem 8 planos {111} na célula unitária, no entanto os planos das faces opostas são paralelos entre si, o que acarreta a existência de apensa quatro grupos de planos compactos. Cada plano contém 3 direções <110> , desta forma, a rede cfc possui 12 sistemas de deslizamento; CCC: Esta estrutura não é compacta como a CFC, ou HC, não apresentando plano de densidade atômica predominante como a (111) da CFC e o (0001) na estrutura HC. Os planos {110} apresentam maior densidade atômica na estrutura CCC, mas sem grande superioridade em relação ao outros planos. No entanto, a direção <111> do CCC é tão compacta quanto a direção <110> do CFC. Desta forma, nos metais CCC o deslizamento pode ocorrer nos planos {110} {112} {123}, enquanto que a direção é sempre [111]. Desta forma, existem 48 sistemas de deslizamento possíveis, mas como os planos não são tão compactos quanto os da estrutura CFC, são geralmente necessárias maiores tensões de cisalhamento para produzir deslizamento. Tensão Cisalhante Crítica para deslizamento CosCosR .. s A extensão de deslizamento num monocristal depende da magnitude da tensão cisalhante produzida pela ação de cargas externas, da geometria da estrutura cristalina e da orientação dos planos de deslizamento ativos em relação às tensões de cisalhamento. O deslizamento começa quando a tensão cisalhante no plano de deslizamanto, segundo a direção de deslizamento, atinge um valor limite denominado Tensão cisalhante resolvida crítica. Este valor é o equivalente para monocristais ao limite de escoamento da curva s x . Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi Tensão Crítica resolvida Sistemas de escorregamento e tensões de cisalhamento resolvidas críticas em monocristais metálicos à temperatura ambiente Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi Deformação Plástica em Monocristal Monocristal de zinco deformado plasticamente, mostrando bandas de escorregamento: (a) vista frontal do cristal, (b) vista lateral do cristal, (c) vista lateral esquemática, indicando os planos basais de escorregamento no cristal HC e (d ) indicação dos planos basais de escorregamento na célula unitária HC. Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi Cada degrau resulta do movimento de um grande número de discordâncias ao longo do mesmo plano de escorremento. Sobre a superfície de uma amostra de um monocristal polido, esses degraus aparecem como linhas, que são chamadas linhas de escorregamento. Encruamento Definição: aumento da tensão necessária para produzir deslizamento devido à deformação plástica do material Causado pela interação entre as discordâncias uma com as outras e com as barreiras que impedem o seu movimento Curvas tensão –deformação com trabalho a frio (a) um corpo de prova é tensionado além do limite de escoamento, e então a tensão é removida. (b) o mesmo corpo de prova apresenta novos limites de escoamento e de resistência à tração maiores, porém ductilidade menor. (c) ao repetir o mesmo procedimento, a resistência aumenta ainda mais e a ductilidade diminui, o que fragiliza a liga. Ciência e Engenharia dos Materiais – Askeland e Phulé Fontes de discordâncias A densidade de discordâncias em um metal aumenta com a deformação ou com o encruamento, devido a multiplicação das discordâncias ou à formação de novas discordâncias – a distância média entre as discordâncias diminui – O resultado é que o movimento de uma discordância é dificultado pela presença de outras discordâncias. Condensação de lacunas Fonte de Frank-Read Intersecção de discordâncias É muito frequente que uma discordância ao se movimentar no seu planode deslizamento, intercepte outras discordâncias que o cruzam. Este mecanismo de interseção de discordâncias desempenha um papel importante no processo de encruamento. Discordâncias bloqueadas que se formam a partir de reações entre discordâncias Curva de escoamento genérica para monocristais CFC Região de escoamento fácil - região linear, com taxa de encruamento muito baixa, - deslizamento num único sistema (sistema primário), - interação de discordâncias com defeitos de ponto e pela interseção de discordâncias móveis com outras discordâncias que cortam os planos de deslizamento. - São interações de pequena amplitude que explicam a pequena taxa de encruamento observada nesse estágio. Te ns ão c is al ha nt e de co m po st a Estágio II Estágio III Estágio I Ângulo de torção (g)g g Deformação cisalhante aumento rápido da taxa de encruamento até atingir um valor constante. o deslizamento ocorre em mais de um conjunto de planos e assim são formados os emaranhados de discordâncias, que darão origem a uma estrutura celular de discordâncias, Curva de escoamento genérica para monocristais CFC Região de encruamento linear Te ns ão c is al ha nt e de co m po st a Estágio II Estágio III Estágio I Ângulo de torção (g)g g Deformação cisalhante A taxa de encruamento decresce continuamente e a tensão cisalhante passa a ser uma função parabólica da distorção. Começa a ocorrer rearranjo de discordâncias, com aniquiliação, escorregamento com desvio, ascensão, etc. Diminuindo a taxa de encruamento devido à recuperação Curva de escoamento genérica para monocristais CFC Região de encruamento parabólicoTe ns ão c is al ha nt e de co m po st a Estágio II Estágio III Estágio I Ângulo de torção (g)g g Deformação cisalhante Contorno de grão e deformação Os limites entre os grãos num agregado policristalino constituem-se em regiões cristalinas perturbadas de somente alguns diâmetros atômicos de magnitude radial. No caso geral, a orientação cristalina muda abruptamente na passagem de um grão para o outro através do contorno de grão. Quando se deforma um monocristal em tração, ele geralmente é livre para se deformar num único sistema de deslizamento por boa parte da deformação e mudar sua orientação pela rotação da rede conforme vai ocorrendo a elongação. Entretanto, grão individuais num material policristalino não estão sujeitos a um único sistema de tensão uniaxial quando este é deformado em tração. Num policristal, a continuidade deve ser mantida. Então, os contornos entre cristais deformados devem permanecer intactos. Embora cada grão tente deformar-se homogeneamente em conformidade com a deformação do material, como um todo, as restrições impostas pela continuidade causam diferenças de deformação entre as vizinhanças dos grão e no interior de cada grão. Embora a deformação seja contínua através dos contornos, pode haver um gradiente de deformação nesta região. Conforme o tamanho de grão diminui e a elongação aumenta, a deformação se tonas mais homogênea. Devido às restrições impostas pelo contorno de grão, o escorregamento ocorre em vários sistemas e também em planos não compactos nas regiões próximas do contorno – levando a um aumento da dureza nesta região. Conforme o diâmetro do grão vai diminuindo, mais os efeitos dos contornos vão sendo sentidos no interior do grão. Então, o encruamento de metais com grãos finos será maior do que em um agregado cristalino de grãos grosseiros. O papel do contorno de grão Equação de Hall-Petch sy = so + k / (d) 1/2 sy = tensão limite escoamento d = media do tamanho de grão so tensão de atritro que se opõe ao movimento das discordâncias (cte do material) k = representa a extensão do empilhamento de discordâncias nas barreiras. (cte do material) so 7 Mpa O papel do contorno de grão na causa da deformação heterogênea e na introdução do deslizamento múltiplo Deformação Plástica em Policristais Alumínio policristalino deformado plasticamente. Note-se que as bandas de escorregamento são paralelas no interior do grão, mas que há descontinuidade nos contornos. (Ampliação 60×.) Discordâncias empilhadas em um contorno de grão, observadas em uma folha fina de aço inoxidável utilizando microscopia eletrônica de transmissão. (Ampliação 20.000×.) Constantes da relação de Hall-Petch para materiais selecionados. Alteração da estrutura de grãos após deformação Reorientação dos grãos em uma orientação preferencial Comparação entre deformação monocristal e policristal Monocristal Policristal Anisotrópica Isotrópica Único sistema Vários sistemas (vários grãos) Homogênea Heterogênea (restrição geométrica de outros grãos e cg) Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi Encruamento em policristais Influência nas propriedades mecânicas Trabalho a frio Porcentagem de deformação a frio em função do limite de resistência à tração e do alongamento até a fratura para o cobre desoxigenado. O grau de deformação a frio é expresso pela porcentagem de redução de área da seção reta da amostra metálica. Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi Deformação por maclação Esquema da superfície de um material metálico deformado por (a) escorregamento e (b) maclagem. Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais William F. Smith/Javad Hashemi Recozimento de metais trabalhados a frio O estado trabalhado a frio é uma condição de maior energia interna do que o material não deformado. Embora a estrutura celular de discordâncias do material trabalhado a frio seja mecanicamente estável, não é um estado termodinamicamente estável. O processo global através do qual o material se recupera e reverte-se para uma condição livre de deformação é conhecido como RECOZIMENTO. Pode ser dividido em: recuperação, recristalização e crescimento de grão. RECUPERAÇÃO: Restauração das propriedades físicas. As propriedades mais alteradas são aquelas sensíveis aos defeitos pontuais. RECRISTALIZAÇÃO: Formação de novos grãos livres de deformação e que são equiaxiais, com baixas densidades de discordâncias. Restauração da ductilidade, queda na resistência mecânica CRESCIMENTO DE GRÃO: A medida que o cg cresce, a área total dos contornos diminui, produzindo redução na energia total – força motriz Recristalização Recozimento Ensaio de tração Consiste na aplicação de uma carga de tração uniaxial crescente em um corpo-de-prova específico até a ruptura. Mede-se a variação do comprimento (l) como função da carga (P); Curva de carga versus alongamento obtida em um ensaio de ruptura por tração. O corpo de prova utilizado foi alumínio 2024 T81. Máquina de tração. A força (carga) aplicada ao corpo de prova é registrada por uma célula de carga. A deformação sofrida pela amostra é também registrada por um extensímetro acoplado à amostra. Os dados são coletados e analisados por software controlado por computador. Curva Tensão-Deformação 0 2 3 4 51 0 50 100 Elongamento (mm) C ar g a (1 0 3 N ) 0 250 500 Deformação, (mm/mm) T en sã o , s (M P a) 0 0.04 0.05 0.08 0.100.02 Normalização para eliminar influência da geometria da amostra Esquema de funcionamento da máquina de tração da Figura 6.16. Observe, entretanto, que o travessão da máquina da Figura 6.16 se move para cima. Corpo de prova padronizadoCorpo de prova plano (chapa) de tração, antes e após deformação. Tensão (s) 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑔𝑒𝑛ℎ𝑎𝑟𝑖𝑎 𝜎 = 𝐹 (𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑢𝑛𝑖𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 𝑚é𝑑𝑖𝑎) 𝐴0 (á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑎 𝑠𝑒çã𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙) 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝜏 = 𝐹 (𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑒𝑚 𝑑𝑖𝑟𝑒çã𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑎 𝑎𝑠 𝑓𝑎𝑐𝑒𝑠 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟) 𝐴0 (á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑎 𝑠𝑒çã𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙) Deformação () Alongamento (l) de uma barra cilíndrica de um material metálico submetido a uma força de tração uniaxial F. (a) Barra cilíndrica sem qualquer força aplicada; (b) barra cilíndrica submetida a uma força de tração uniaxial F, que provoca o alongamento da barra cilíndrica desde o comprimento l0 até l. Quando se aplica uma força de tração uniaxial a uma barra cilíndrica, a barra se alonga segunda a direção de aplicação da força. O deslocamento é chamado de deformação 0 0 Região elástica • s é proporcional a => s=E. E=módulo de Young • A deformação é reversível. • Ligações atômicas são alongadas mas não se rompem. Curva Tensão-Deformação (cont.) Como não existe um limite claro entre as regiões elástica e plástica, define-se o Limite de escoamento, como a tensão que, após liberada, causa uma pequena deformação residual de 0.2%. 0 0.04 0.05 0.08 0.100.02 0 250 500 Deformação, e (mm/mm) T en sã o , s (M P a) Plástica Elástica 0 0.004 0.005 0.008 0.0100.002 Deformação, (mm/mm) fratura Limite de escoamento a O Módulo de Young, E, (ou módulo de elasticidade) é dado pela derivada da curva na região linear. Cisalhamento Uma tensão cisalhante causa uma deformação cisalhante, de forma análoga a uma tração. Tensão cisalhante = F/A0 onde A0 é a área paralela a aplicação da força. Deformação cisalhante g= tan = y/z0 onde é o ângulo de deformação Módulo de cisalhamento G = G g Coeficiente de Poisson A deformação elástica longitudinal de uma material metálico é acompanhada de uma variação de dimensões transversais. A aplicação da tensão de tração s2 , provoca uma deformação axial +z e contrações laterais -x e -y. Considerando comportamento isotrópico, x e y são iguais. A Relação entre as deformações é dada pelo coeficiente de Poisson . Valores entre 0,25 e 0,40 E = 2G(1+) = − 𝜀 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙 𝜀 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙 = − 𝜀𝑥 𝜀𝑧 = − 𝜀𝑦 𝜀𝑧 Resiliência Resiliência é a capacidade que o material possui de absorver energia elástica sob tração e devolvê-la quando relaxado. área sob a curva dada pelo limite de escoamento e pela deformação no escoamento. Estes materiais seriam ideais para uso em molas. 𝑈𝑟 = 0 𝜀1 𝜎 𝑑𝜀 𝑈𝑟 = 1 2 𝜎1𝜀1 [J/m3] ou [Pa] 𝑈𝑟 = 1 2 𝜎1𝜀1 = 𝜎1 2 2𝐸 Estricção e limite de resistência Deformação, T en sã o , s Limite de resistência mecânica estricção A partir do limite de resistência começa a ocorrer um estricção no corpo de prova. A tensão se concentra nesta região, levando à fratura. Ductilidade Ductilidade é uma medida da extensão da deformação que ocorre até a fratura. Ductilidade pode ser definida como: % 𝑎𝑙𝑜𝑛𝑔𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑙 − 𝑙0 𝑙0 × 100 % 𝑟𝑒𝑑𝑢çã𝑜 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎 = á𝑟𝑒𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − á𝑟𝑒𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 á𝑟𝑒𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝐴0 − 𝐴𝑓 𝐴0 × 100 Elongamento (mm) T e n s ã o ( M P a ) Curva s para Cobre Recozido Curva s para Cobre Endurecido a Frio Elongamento (mm) T e n s ã o ( M P a ) Comparação Elongamento (mm) T e n s ã o ( M P a ) Recozido Endurecido a frio Coeficiente de encruamento Quanto mais se deforma plasticamente um metal, mais ele endurece. Deste modo, é necessário aplicar tensões ainda mais elevadas para continuar deformando-o plasticamente. A sensibilidade de uma metal a esse encruamento pode ser avaliada pelo coeficiente de encruamento, n, medido na região plástica das curvas tensão-deformação verdadeiras. Tenacidade Tenacidade (toughness) é a capacidade que o material possui de absorver energia mecânica até a fratura. área sob a curva até a fratura. Dúctil Frágil Deformação, T en sã o , s O material frágil tem maior limite de escoamento e maior limite de resistência. No entanto, tem menor tenacidade devido a falta de ductilidade (a área sob a curva correspondente é muito menor). tenacidade= 0 𝜀1 𝜎 𝑑𝜀 + 𝜀1 𝜀2 𝜎 𝑑𝜀 tenacidade= 0 𝜀1 𝐸𝜀 𝑑𝜀 + 𝜀1 𝜀2 𝑘𝜀𝑛 𝑑𝜀 A curva s real A tensão de engenharia é calculada dividindo a F aplicada ao corpo de prova pela área inicial da sua seção reta A0 . No entanto, durante o ensaio de tração, a área da seção reta do corpo de prova varia continuamente e a tensão nominal calculada é um valor preciso. i i A A Ln l l Ln d verdadeiraDeformação i 0 0 0 𝜎𝑣 = 𝐹 𝐴𝑖 Fatores de Projeto e Segurança Variabilidade nas medições das propriedades mecânicas e incertezas na caracterização da magnitude das cargas aplicadas; Desta forma, devem ser introduzidas folgas e fatores de projeto para proteção contra falhas não previstas Tensão de projeto (𝜎𝑝): para situações estáticas e quando são utilizados materiais dúcteis. Base na carga máxima. 𝜎𝑝 = 𝑁 ´𝜎𝑐 Onde: 𝑁´ = fator de projeto 𝜎𝑐 = tensão calculada com base na carga máxima Tensão admissível: ou tensão de trabalho. Baseada no limite de escoamento do material 𝜎𝑡 = 𝜎1 𝑁 Onde: 𝑁 = fator de segurança 𝜎1 = tensão limite escoamento Ensaio de Dureza Aplicação de uma ponta de penetração (identador) feito de material mais duro que a amostra Retirada do identador Medida da dureza pela Medida da profundidade sa impressão Microdureza Marca superficial deixada pelo ensaio de microdureza Knoop. Referências Bibliográficas 1) Askeland, D. R.; Phule, P. P. Ciência e engenharia dos materiais. São Paulo: CENGAGE, 2008; 2) Callister Jr., W. D. Fundamentos da ciência e engenharia de materiais. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2006; 3) Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de materiais. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2008; 4) Shackelford, J. E. Ciência dos materiais. São Paulo: Prentice Hall, 2008; 5) Smith, W. Hashemi, J. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais – MacGrawHill
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