Resumo Estrutura dos Materiais

Prévia do material em texto

Resumo Estrutura dos Materiais 
CAP.8 - Teoria das Discordâncias
As discordâncias atuam em um material de forma a acelerar ou dificultar a sua deformação plástica dependendo da densidade destas discordâncias bem como as mesmas se interage durante a deformação.
De uma forma geral, pode-se dizer que o movimento de discordâncias facilita a deformação plástica. Com isto, deduz-se que para endurecer o material é necessário ou diminuir a densidade de discordâncias (wiskers) ou dificultar o seu movimento, o que é mais aplicável na engenharia (tratamentos termomecânicos ou projetos de ligas).
Definição de discordâncias:
Discordâncias são as descontinuidades que se acumulam em determinados pontos do plano de deslizamento.
Em outras palavras, as discordâncias podem ser definidas como a linha que separa, durante a deformação plástica, a parte do material que deslizou da que ainda não deslizou.
Classificação:
As discordâncias podem ser classificadas como discordância em cunha, discordância em hélice ou discordância mista, e estas podem se apresentada na forma linear, curva ou em forma de anel.
Discordância em cunha é aquela que apresenta um plano extra, inserido na estrutura do cristal. Esta possui o vetor de burguers perpendicular à linha da discordância.
Discordância em hélice é aquela que se apresenta em forma de uma rampa resultante da deformação cisalhante do cristal. Possui o vetor de burguers paralelo à linha da discordância.
O vetor de burguers é o vetor que define a magnitude e a direção de deslizamento.
Movimento das discordâncias:
O modelo de Frenkel propunha que, durante o deslizamento, todos os átomos do plano trocavam de posição de forma conjunta, porém o que realmente acontece é troca de posição atômica apenas dos átomos próximos à discordância, necessitando assim, de menos energia para o deslizamento.
O movimento da discordância pode ser conservativo ou seja, quando a discord6ancia se move no plano de deslizamento (plano mais denso) ou então não conservativo, que é quando a discordância se move em um plano diferente ao plano de deslizamento. Este é o movimento quando se trata de escalada.
Origem das discordâncias:
As discordâncias podem se originar de duas maneiras: Através do abaixamento de temperatura ou através de conformação mecânica.
O surgimento de discordâncias por meio de abaixamento de temperatura se dá através de nucleação por “sementes nucleadoras”., ou então por meio de coalescimento dendrítico, contração térmica, etc.
O surgimento de discordâncias pode meio de conformação mecânica se dá através de nucleação homogênea (deformação convencional) ou de nucleação heterogênea (fontes de Frank-Read, deslizamento cruzado, escalada ou contornos de grãos).
Tensão de Peierls-Nabarro:
A tensão de Peierls-Nabarro é a força necessária para se movimentar uma discordância na rede cristalina. Esta tensão é função da largura da discordância.
Quanto mais larga a discordância, menor é a tensão de Peierls-Nabarro para movimentá-la.
Tensão de Linha:
É a tensão que age no sentido de alinhar a discordância de tal sorte a minimizar a energia gasta para o seu movimento.
Redes de Frank:
É a rede tridimensional formada pelas discordâncias após sofrerem recozimento. Esta rede é a rede presente em contornos de baixo ângulo e contornos de sub-grãos.
Os diversos segmentos de discordâncias convergem em nós onde a soma dos vetores de burguer dos respectivos segmentos é igual a zero. Estes nós servem como ponto de ancoragem das linhas de discordância. Desta forma, quando tensionadas, as linhas tendem a se curvar para manter este ponto.
Campo de Forças entre discordâncias:
Quando duas discordâncias se aproximam, elas se interagem.
Duas discordâncias em hélices paralelas, tendem a ser atraídas uma pela outra quando o vetor de burguers das duas possuírem sinais opostos e se repelem quando tiverem mesmo sinal.
Deslizamento cruzado:
Acontece quando uma discordância em cunha ou em hélice encontra uma barreira a seu movimento. Assim, a discordância que inicialmente se movimentava, por exemplo, em um plano horizontal, passa a se movimentar em um plano vertical.
Escalada:
Processo termicamente ativado que acontece apenas com discordâncias em cunha, devido a mesma apresentar um plano extra.
A existência de uma tensão compressiva na direção de deslizamento causa uma força na direção da escalada positiva. Similarmente, uma tensão trativa perpendicular ao plano extra causa uma força na direção da escalada negativa. Assim, a superposição de tensão com elevada temperatura necessária para difusão resulta numa elevação da taxa de escalada.
Interseção de Discordâncias:
Os degraus de discordância em cunha dificultam o movimento de discordâncias em hélice, devido a este tipo de discordância não sofrer escalada (princípio do encruamento). Desta forma, o movimento de discordâncias em hélice em redes com degraus de discordâncias é responsável pela criação de lacunas e intersticiais durante a deformação plástica.
Fonte de Frank-Read:
O que acontece com a Fonte de Frank-Read é o impedimento do movimento da discordância fazendo com que a mesma se dobrando devido ao aumento da tensão até a formação de um anel de discordância.
Densidade de Discordâncias:
A densidade de discordâncias é a responsável pelo encruamento do material. Ao se deformar plasticamente um material as discordâncias se movimentam, se cruzam, se multiplicam e fazem com que o material necessite de uma maior tensão para continuar se deformando.
Discordâncias Parciais e Falha de empilhamento:
As vezes, a discordância, para passar por um plano, necessita modificar a estrutura original de empilhamento desse plano. Isso faz com que esta discordância se divida em duas discordâncias parciais. A região entre estas duas discordâncias é a falha de empilhamento. Outro tipo de parcial é a Parcial de Frank, que consiste na inserção ou na retiradad e um plano de átomos {111} na estrutura.
As discordâncias parciais podem se interagir de forma a se travarem. Esse tipo de intaração é a Barreira de Lommer-Cotrell. Quando duas parciais se movimentam em planos que se cruzam e originam uma discordância em cunha que não consegue se movimentar.
Células de Discordâncias e Sub-Grãos:
Células CFC de baixa EFE (alta taxa de encruamento) apresentam baixa mobilidade de discordâncias devido as mesmas estarem muito afastadas. Desta forma as discordâncias se dispõem homogeneamente no grão. Já Células CCC e CFC de alta EFE apresentam alta mobilidade das discordâncias, isto faz com que as mesmas vão se organizem em planos de baixo índice de Miller. Este agrupamento de discordâncias faz com que as mesmas se travem e se aniquilem e formem novas “paredes” que delimitarão os sub-grãos. As discordâncias de sinais opostos poderão ainda se aniquilar (poligonização) e formar paredes de células. 
Obs.: A diferença entre célula de discordâncias e sub-grãos ainda é um pouco arbitrária. Dependendo do grau de ativação térmica envolvido em sua formação.
CAP.9 – Forma de Distribuição de Fases
A microestrutura de um material pode se encontrar na forma de monocristal (diamante), policristal monofásico (ferrita) e policristal polifásico (perlita).
Um monocristal pode ser produzido normalmente por solidificação em fornos específicos para esta finalidade.
Já os policristais são produzidos nos processos convencionais como o lingotamento contínuo para aços. 
Durante a solidificação do metal líquido, o mesmo se solidifica formando zonas de grãos coquilhados ou zona equiaxial fina (isotrópico), zona colunar (anisotrópico) e zona equiaxial central (isotrópico).
Durante o crescimento das denditras podem aparecer segregação e/ou rexupe interdendríticos.
Uma estrutura, durante sua deformação plástica, pode sofrer alterações microestruturais. Destas alterações, as mais importantes para a engenharia metalúrgica são:
Fibramento:
Consiste no alinhamento dos grãos devido a, por exemplo, uma laminação. Este fibramento garante características anisotrópicas para o material.
Textura:
Consiste na rotação dos grãos de um policristal durante adeformação para uma orientação preferencial.
Um material fortemente texturado deve exibir propriedades altamente anisotrópicas. Neste caso, o endurecimento pode ocorrer devido à aplicação imediata do conceito de tensão cisalhante resolvida.
Materiais texturados são fortemente anisotrópicos e são bastante utilizados como condutores elétricos e para estampagem.
Bandeamento:
Consiste basicamente na formação de bandas de ferrita e perlita. Está relacionado com a segregação de elementos substitucionais durante a solidificação.
Durante a solidificação lenta do material, o carbono fica mais estável na austenita que na ferrita. Assim, ferrita é formada até uma concentração de carbono ocorrer na austenita, formando assim a perlita.
Recristalização:
Quando a energia de deformação armazenada no material atinge determinado nível, que depende, basicamente, do material e da temperatura, ocorre a nucleação de novos grãos não deformados. Este fenômeno é chamado de recristalização.
Tratamentos Térmicos:
Recozimento, consiste no aquecimento do material até a linha eutética. 
Têmpera consiste no resfriamento rápido do material. Normalmente com água. 
Revenimento é uma técnica aplicada para aliviar as tensões causadas pela têmpera. 
Precipitação consiste na formação de fases por resfriamento controlado.
Laminação convencional x Laminação controlada:
Na laminação convencional, o material é laminado de uma sé vez e é então encaminhado para um tratamento térmico posterior.
Na laminação controlada o material é laminado, mantido a uma elevada temperatura para promover a recristalização e então laminado de novo até a seção desejada. Desta forma o material apresenta microestrutura com grão refinados e, se feito um resfriamento rápido, os grãos são ainda menores. Na laminação controlada não se necessita, normalmente, posterior tratamento térmico.
CAP.10 – Difusão no estado sólido
É um processo termicamente ativado que segue uma equação do tipo Arrhenius.
A difusão pode ser definida como o transporte de massa por movimento atômico.
A difusão pode ocorrer entre átomos de um mesmo material (autodifusão) e entre átomos de materiais distintos (interdifusão). Pode ser volumétrica ou de curto circuito e também pode acontecer entre átomos intersticiais ou lacunares (casos mais comuns).
A difusão de átomos intersticiais é muito mais rápida que a de átomos lacunares.
Além dos tipos de difusão supracitados, a difusão pode ocorrer na superfície do material, entre contornos de grãos e entre linhas de discordâncias.
O processo de difusão é industrialmente utilizado para, por exemplo, o endurecimento de metais por difusão de carbono em sua superfície (cementação). E também é a base do processo de sinterização.
O estudo da difusão em estado sólido pode ser dividido em dois tipos; estacionário e não estacionário, que são representados, principalmente respectivamente pela primeira e pela segunda lei de Fick.
A primeira lei de fick para difusão estacionária leva em consideração apenas a distância.
O coeficiente de difusão segue, a equação do tipo Arrhenius que depende da temperatura e da concentração e representa a capacidade de um material de se difundir em outro ou nele mesmo.
É interessante observar que em cristais cúbicos, o coeficiente de difusão irá depender, também se a difusão ocorre paralelamente ou perpendicularmente ao eixo do cristal.
O coeficiente de difusão também aumenta se a difusão ocorre no interior do cristal, no contorno de grãqo ou na superfície do material e pode ser explicado pelo maior espaço para movimento atômico.
Efeito Kirkendall:
É a “diminuição”, por exemplo, do Latão quando colocado em contato com o zinco a altas temperaturas.
O Efeito Kirkendall prova que a difusão, por exemplo, do zinco no cobre é maior que do cobre no zinco. Isto faz com que a “linha” que separa um material do outro (interface de Kirkendall) se desloque para o lado do material que se difunde menos.
Isso mostra também que o coeficiente de difusão do cobre no zinco é diferente do coeficiente de difusão do zinco no cobre. 
Quando os coeficientes de difusão são muito diferentes, o processo de difusão resultará em porosidade proveniente do acúmulo de lacunas deixadas pelo material que se difundiu mais rápido. Esta porosidade é denominada Porosidade de Kirkendall.
Considerando agora a difusão não estacionária, que é a que realmente ocorre industrialmente, a segunda lei de Fick é a que descreve o processo. Agora, a difusão, além da concentração e da posição, depende também do tempo.
Efeito Snoek:
É o acúmulo de átomos intersticiais em uma determinada direção quando uma força tensora é aplicada na estrutura Cúbica devido a mudaça dos seus parâmetros de rede.
Quando a tensão é aplicada, o número de átomos intersticiais em excesso é nulo, com o passar do tempo esse valor aumenta até chegar num ponto crítico. A partir deste ponto o número dos átomos em excesso diminui. O tempo após o ponto crítico é denominado tempo de relaxamento e por meio deste tempo, pode-se calcular o coeficiente de difusão intersticial.