Discordâncias e Aumento de Resistência em Materiais

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Universidade Federal de Itajubá 
Campus de Itabira 
Disciplina: EMEi10 – Materiais de Construção Mecânica III 
Prof. Moisés Luiz Parucker 
 
 
Aula 3– Discordânicas e 
mecanismos de aumento de 
resistência 
Conteúdos da Aula/Objetivos 
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Unidade 3 – discordâncias e aumento da resistência mecânica. 
 
Objetivos: 
 
 Descrever o movimento das discordâncias aresta e espiral a 
partir de uma perspectiva atômica; 
 
 Compreender sistemas de escorregamento e a influência dos 
contornos de grão e das discordâncias no aumento da 
resistência dos materiais. 
 
A compreensão da natureza e do 
papel que as mesmas desempenham 
nos processos de deformação plástica 
permitem compreender algumas das 
técnicas empregadas para aumento de 
resistência e dureza dos materiais 
metálicos e ligas. 
Distribuição das discordâncias de um 
monocristal de LiF atacado 
quimicamente 
Possibilidade de adaptação das 
propriedades mecânicas dos materiais 
– tenacidade e resistência em uma liga 
metálica - 
 Temos dois tipos de deformação: plástica e elástica 
 A deformação plástica é relacionada com o movimento de um grande 
número de átomos em resposta a aplicação de uma tensão – ligações 
interatômicas devem ser rompidas e formadas novamente. 
 Nos sólidos cristalinos, geralmente a deformação plástica envolve o 
movimento de discordâncias. 
Estudo das características da deformação plástica com relação às discordâncias e 
apresentação das técnicas para aumento de resistência de metais monofásicos, bem como 
processos de recristalização e recuperação de metais deformados. 
• Inicialmente os valores de resistências teóricas medidas eram 
discrepantes com relação aos obtidos experimentalmente. 
1930 - Discordâncias 
1950 – visualizadas por 
MEV 
Desde então foi utilizada para explicar muitos dos 
fenômenos físicos e mecânicos que ocorrem nos metais. 
• Dois tipos de discordâncias: aresta e espiral 
Com uma tensão de cisalhamento sendo aplicada perpendicularmente ao plano 
da discordância, verifica-se que a mesma é transferida de uma posição para 
outra. 
 
Antes e depois do movimento de uma discordância através de uma região 
específica do cristal, há um arranjo ordenado e perfeito de átomos – somente 
durante a passagem do semiplano extra a estrutura é rompida. 
Escorregamento: processo pelo qual uma deformação plástica é 
produzida pelo movimento de uma discordância. 
Plano de escorregamento 
Direção de escorregamento 
Uma distância 
interatômica 
A deformação plástica macroscópica corresponde simplesmente 
á deformação permanente que resulta do movimento das 
discordâncias, ou do escorregamento em resposta a aplicação 
de uma tensão de cizalhamento. 
Similar ao movimento de uma lagarta – movimento de discordâncias 
Densidade de discordâncias: comprimento total de discordâncias 
por unidade de volume. 
Metais deformados: 109 a 1010 mm-2. 
Cerâmicas: 102 a 104 mm-2. 
Metais e ligas: discordâncias introduzidas durante o processo de solidificação, 
deformação plástica ou devido a tensões térmicas por resfriamento rápido. 
 Quando os metais são deformados plasticamente, cerca de 5% da 
energia é retida internamente, o restante é dissipado na forma de 
calor. 
 A maior parte desta energia armazenada está associada com as 
tensões associadas às discordâncias. 
 A presença de discordâncias promove uma distorção da rede 
cristalina de modo que certas regiões sofrem tensões compressivas 
e outras tensões de tração. 
• Os Campos de deformação se irradiam a partir da linha de 
discordância. As deformações se estendem aos átomos vizinhos 
e sua magnitude se reduz com a distância à discordância. 
• Os campos de deformação podem interagir promovendo o 
surgimento de forças sobre cada discordância. 
 Duas discordâncias 
do mesmo tipo em 
planos diferentes: 
repulsão, pois 
geram campos 
repulsivos. 
 Duas discordâncias de tipos 
diferentes em planos 
diferentes: equilíbrio, o 
reticulado cristalino volta a sua 
configuração original. 
• Estes campos de deformação e as forças associadas são 
importantes mecanismos de aumento de resistência dos metais. 
• Durante a deformação plástica, o número de discordâncias 
aumenta drasticamente: 
Discordâncias existentes, que se multiplicam; contornos 
de grão, defeitos internos e irregularidades da superfície: 
riscos, entalhes – aumentam a concentração de tensões 
e atuam como sítios para formação de discordâncias. 
 Há um plano preferencial para o movimento das 
discordâncias e uma direção neste plano para este 
movimento – plano e direção de escorregamento. 
 Plano de escorregamento: possui o empacotamento 
atômico mais denso – maior densidade planar. 
 O deslizamento ocorre em planos e direções mais compactas 
pois nestes a distância de deslocamento da rede cristalina é 
reduzida. 
 Este deslizamento pode ocorrer em diferentes direções e 
planos equivalentes – família de direções e planos. 
PARA ALGUNS MATERIAIS COM ESTRUTURAS CCC E HC - O ESCORREGAMENTO 
DE ALGUNS PLANOS SÓ SE TORNAM OPERATIVOS A ALTAS TEMPERATURAS 
 No caso de materiais policristalinos, a direção de 
escorregamento varia de um grão para outro. 
 O escorregamento vai ocorrer na direção que possui orientação 
mais favorável. 
 Amostra de Cu policristalino – dois 
sistemas de escorregamento. 
 Durante a deformação, a integridade 
mecânica e a coesão são mantidas ao 
longo dos contornos de grão: não se 
abrem ou rompem. 
 Limitado pela vizinhança. 
• Antes da deformação: grãos equiaxiais – mesma dimensão 
em todas as direções. 
• Após deformação: alongamento dos grãos na direção de 
deformação. 
• Neste caso a deformação ocorre pela formação de maclas de 
deformação. 
• Este tipo de deformação é dependente da estrutura do cristal 
e ocorre em plano e direção específicos: CCC (112) e [111]. 
 Geralmente busca-se ligas com altas resistências, com alguma 
ductilidade e tenacidade – normalmente sacrifica-se a ductilidade 
com o aumento da resistência. 
 
 Existem várias técnicas de aumento de resistência e a seleção da 
liga depende da capacidade de um material em se adaptar as 
exigências mecânicas de uma certa aplicação. 
Comportamento mecânico x movimento das discordâncias 
A habilidade de um metal se deformar plasticamente 
depende da habilidade das discordâncias se moverem 
 Como a dureza e a resistência estão relacionadas com a facilidade à 
deformação plástica, reduzindo-se a mobilidade das discordâncias 
pode-se alterar a resistência de um material. 
As técnicas de aumento de resistência se baseiam no princípio de 
restrição ou impedimento do movimento de discordâncias: 
Metais: redução do tamanho do 
grão, formação de ligas por 
solução sólida e encruamento 
A habilidade de um metal se deformar plasticamente depende da 
habilidade de as discordâncias se moverem 
redução
tamanho do grão 
• O tamanho médio de um grão influe nas propriedades 
mecânicas. 
• Durante as deformações plásticas, o escorregamento ou 
movimento de discordâncias deve ocorrer através deste 
contorno comum. 
 O contorno de grão atua como uma barreira ao movimento de 
discordâncias: 
 Como dois grãos possuem orientações cristalográficas 
diferentes, a discordância terá de modificar sua direção – 
mais difícil quanto maior for a diferença na orientação 
cristalográfica; 
 A fronteira é desordenada fazendo com que os planos de 
delizamentos sofram descontinuidades. 
 
 Contornos de grão de alto ângulo promovem acúmulo de 
discordâncias e aumento de tensãoa frente dos planos de 
escorregamento – novas discordâncias. 
redução
tamanho do grão 
 Materiais com grãos menores apresentam-se mais duros e 
resistentes que aqueles com grãos maiores – diferença na 
área de contornos que impedem o movimento das 
discordâncias. 
• Relação entre o tamanho do grão e a tensão de escoamento: 
equação de Hall-Petch 
Constantes dependente do material 
Tamanho médio do grão 
O tamanho do grão pode ser 
alterado durante o processo de 
solidificação e com tratamentos 
térmicos apropridados. 
redução
tamanho do grão 
solução sólida 
 A introdução de impurezas seja por solução sólida intersticial ou 
substitucional promove um aumento na dureza e resistência dos 
metais. 
 Metais com alta pureza geralmente são mais deformáveis e 
menos resistentes que ligas compostas deste metal base. 
 O aumento de impurezas eleva o limite de resistência a tração e 
de escoamento. 
solução sólida 
 A presença de impurezas promove uma distorção na rede cristalina. 
 Ocorre a interação do campo de deformação da rede cristalina 
entre as discordâncias e esses átomos de impurezas – restringe o 
movimento das discordâncias. 
 No caso de átomos intersticiais, promove deformações de tração na 
rede cristalina vizinha e os substituicionais – compressão. 
Menor tamanho - compressão Maior tamanho - tração 
encruamento 
 Fenômeno no qual um metal dúctil se torna mais duro e mais 
resistente quando deformado plasticamente – endurecimento por 
trabalho ou trabalho a frio. 
 A maioria dos metais encrua a temperatura ambiente. 
 A porcentagem de trabalho a frio é dada por: 
A0 – área original 
Ad – área após a deformação 
encruamento 
Resistência a tração do aço, 
latão e cobre. 
O aumento na dureza promove 
uma redução na ductilidade do 
material. 
• Gráfico tensão-deformação para materiais com diferentes 
graus de encruamento. 
Valor relativo a 
porcentagem de 
encruamento 
Recuperação Recristalização Crescimento de 
grão 
 Em resumo a deformação plástica produz alterações 
microestruturais e de propriedades nos metais que incluem: 
 Alteração na forma do grão; 
 Endurecimento por encruamento; 
 Aumento na densidade de discordâncias; 
 Propriedades como condutividade elétrica e resistência a corrosão 
podem ser alteradas em função da deformação plástica. 
 Para recuperar a estrutura anterior a este processo de deformação 
utiliza-se tratamentos térmicos a temperaturas elevadas: 
recuperação e recristalização seguida de crescimento de grão. 
 Recuperação: a altas temperaturas ocorre um aumento da difusão 
atômica e consequentemente das discordâncias promovendo uma 
liberação da energia armazenada na rede. 
 
 Propriedades físicas como condutividade elétrica e térmica são 
recuperadas a seus estados anteriores. 
 
 Recristalização: formação de um novo conjunto de grãos 
equiaxiais e livres de deformação com baixa densidade de 
discordâncias e característicos das condições anteriores ao 
processo de trabalho a frio. 
 
 Este processo é gerado devido a diferença energética entre o 
material deformado e não deformado. 
Recuperação Recristalização Crescimento de 
grão 
Recuperação Recristalização Crescimento de 
grão 
 A recristalização depende do 
tempo e da temperatura. 
 
 Temperatura recristalização: 
temperatura na qual a 
recristalização atinge seu 
término em 1h. 
 
 Ocorre mais facilmente em 
metais puros que em ligas. 
Recuperação Recristalização Crescimento de 
grão 
Figura: limite de resistência à tração e a 
ductilidade de uma liga de latão em função 
da temperatura para TT de 1h. 
 Crescimento do grão: após o processo de 
recristalização, deixando-se a amostra exposta 
a uma temperatura elevada verifica-se o 
crescimento do novo grão formado. 
 A medida que os grãos aumentam de 
tamanho, a área total do contornos diminui, 
promovendo uma redução na energia total – 
força motriz para o crescimento do grão. 
 Os grãos crescem pela migração dos 
contornos de grão. Os grãos maiores 
aumentam as custas dos menores que se 
extinguem. 
Recuperação Recristalização Crescimento de 
grão 
 O diâmetro do grão varia em função do tempo de acordo com a relação: 
 Este crescimento é dependente do tempo e da temperatura. 
Recuperação Recristalização Crescimento de 
grão 
Cinética de crescimento do 
grão