Discordância e Mecanismos de Aumento de Resistência

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Discordância e Mecanismos de Aumento de Resistência – Resumo 
CALLISTER JR., William D; SOARES, Sérgio Murilo Stamile. Ciência e engenharia de materiais: uma 
introdução. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC Ed, c2002. 589p. ISBN: 8521612885. 
 
 Discordâncias 
Os materiais podem apresentar dois tipos de deformação: a elástica e a 
plástica, sendo a última uma deformação permanente, que é medida através da 
resistência e dureza do material. Durante a década de 1930, essa discrepância 
em termos de resistências mecânicas era tida como um tipo de defeito 
cristalino linear, sendo conhecido por discordância. Entretanto, em meados de 
1950 uma teoria de discordâncias evoluiu para explicar muitos dos fenômenos 
físicos e mecânicos em materiais cristalinos, especialmente nos metais e 
cerâmicos. 
Os dois tipos fundamentais de discordâncias são a discordância aresta, em 
que existe uma distorção localizada da rede cristalina ao longo da extremidade 
de um semiplano adicional de átomos, e a espiral, que é considerada como 
resultante de uma distorção por cisalhamento; a sua linha da discordância 
passa através do centro de uma rampa espiralada de plano atômico. Quando a 
discordância apresenta componentes tanto em aresta como em espiral, é 
chamada de discordância mista. 
A deformação plástica corresponde ao movimento de grandes números de 
discordâncias. Uma discordância aresta se move em resposta a aplicação de 
uma tensão de cisalhamento em uma direção perpendicular à sua linha, em um 
processo chamado de escorregamento (representado na figura abaixo), que 
depende da estrutura cristalina do metal e é tal que a distorção atômica que 
acompanha o movimento de uma discordância é mínima, e o plano ao longo do 
qual a linha de discordância se movimenta é o plano de escorregamento. 
 
O movimento de uma discordância espiral em resposta à aplicação de uma 
tensão de cisalhamento ocorre perpendicularmente à direção da tensão de 
cisalhamento, como mostrado na figura: 
 
A deformação plástica liquida ou global para ambos os tipos de discordância é 
a mesma. A direção do movimento da linha de discordância mista está entre 
esses dois extremos de movimento. Durante a deformação plástica, o número 
de discordâncias aumenta drasticamente. 
Todos os materiais cristalinos possuem algumas discordâncias. Essa 
quantidade é expressa pela densidade de discordâncias, que é o 
comprimento total de discordâncias por unidade de volume. 
Várias características das discordâncias são importantes em relação às 
propriedades mecânicas dos metais. Estas incluem os campos de deformação 
que existem ao redor das discordâncias, que são importantes na determinação 
da mobilidade das discordâncias, bem como suas habilidades em se 
multiplicar. Quando os metais são submetidos à deformação plástica, uma 
fração da energia de deformação (aproximadamente 5%) é retida internamente, 
e o restante é dissipado como calor. A maior parte dessa energia armazenada 
consiste em uma energia de deformação que está associada a discordâncias. 
Existem regiões onde as deformações da rede cristalina por compressão, 
tração e cisalhamento são impostas sobre os átomos vizinhos. Também 
existem deformações de cisalhamento na vizinhança da discordância aresta. 
Para o tipo espiral as deformações são somente de natureza cisalhante. 
 
 Mecanismos de aumento de resistência 
Com frequência procura-se materiais que aliem alta resistência e boa 
ductibilidade e tenacidade. Várias técnicas de endurecimento estão à 
disposição de um engenheiro, e com frequência a seleção de ligas depende da 
capacidade de um material de ser adaptado às características mecânicas 
exigidas para uma aplicação específica. 
A relação entre o movimento das discordâncias e o comportamento mecânico 
dos metais é importante para a compreensão dos mecanismos de aumento de 
resistência. A habilidade de um material se deformar plasticamente depende da 
habilidade das discordâncias se moverem. As técnicas de aumento de 
resistência dependem do principio de que restringir ou impedir o movimento de 
discordância confere maior dureza e mais resistência a um material. 
Isso refere-se a mecanismos de aumento de resistência para metais 
monofásicos, mediante redução no tamanho do grão, formação de ligas por 
solução sólida e encruamento. A deformação e o aumento da resistência para 
ligas que contém múltiplas fases são processos mais complicados. 
Existem três mecanismos que podem ser utilizados para promover o 
endurecimento de ligas metálicas monofásicas, que podem ser utilizados 
individualmente ou em conjunto: 
1. Aumento de resistência pela redução no tamanho do grão 
Em um material policristalino, o tamanho dos grãos influencia suas 
propriedades mecânicas. Durante a deformação plástica, o escorregamento ou 
movimento de discordâncias deve ter lugar através do contorno comum de 
grãos adjacentes, que atua como uma barreira ao movimento das 
discordâncias. 
Um material com granulação fina tem maior tenacidade e é mais duro e 
resistente do que um material com granulação grosseira, já que o primeiro 
possui uma maior área total de contorno de grãos para dificultar o movimento 
das discordâncias. Para muitos materiais, o limite de escoamento varia de 
acordo com o tamanho do grão conforme a equação de Hall-Petch, onde σ e k 
são constates para cada material específico, e d representa o diâmetro médio 
do grão: 
 
Contornos de grão de baixo ângulo não são eficazes na interferência com o 
processo de escorregamento devido ao leve desalinhamento cristalográfico 
através do contorno, ao contrário dos contornos de macla, que bloqueiam o 
escoamento de maneira eficaz. 
 
2. Aumento de resistência por solução sólida 
Uma outra técnica utilizada no aumento da resistência e para endurecer metais 
consiste na formação de ligas com átomos de impurezas que entram ou em 
solução sólida substitucional ou intersticial. Os metais com alta pureza são 
geralmente mais macios e fracos do que as ligas compostas por esse mesmo 
metal de base. Um átomo de impureza que seja menor do que um átomo 
hospedeiro que ele esteja substituindo exerce deformações de tração sobre a 
rede cristalina vizinha, enquanto um átomo substitucional maior impõe 
deformações compressivas sobre a sua vizinhança. 
A figura abaixo mostra a variação da resistência, escoamento e ductibilidade de 
acordo com o teor de pureza do material: 
 
A resistência ao escorregamento é maior quando os átomos de impureza estão 
presentes, pois a deformação global da rede deve aumentar se uma 
discordância for separada deles. 
 
3. Encruamento 
O encruamento é o fenômeno pelo qual um metal dúctil se torna mais duro e 
resistente quando é submetido a uma deformação plástica, também conhecido 
como endurecimento por trabalho ou trabalho a frio. A maioria dos metais 
encrua à temperatura ambiente. O grau de deformação plástica pode ser 
expresso como um percentual de trabalho a frio, definido por: 
 
O fenômeno de encruamento é explicado com base em interações entre 
campos de deformação de discordâncias. A densidade de discordâncias em 
um metal aumenta com a deformação ou com o encruamento, devido à 
multiplicação das discordâncias ou a formação de novas discordâncias. 
Comercialmente, o encruamento é utilizado com frequência para aprimorar as 
propriedades mecânicas de metais durante seus procedimentos de fabricação. 
 
 Recuperação, recristalização e crescimento de grão 
As características microestruturais e mecânicas de uma amostra metálica que 
tenha sido submetida a um processo de deformação plástica podem ser 
restauradas aos seus estados anteriores à deformação mediante uma etapa de 
tratamento térmico, onde permite-se que ocorram os processos de 
recuperação, recristalização e crescimento de grão. Durante a recuperação, 
existe uma redução na densidade e alteração nas configurações das 
discordâncias. A recristalização consistena formação de um novo conjunto de 
grãos que estão livres de deformação, tornando o material mais macio e dúctil. 
O crescimento de grãos caracteriza-se por um aumento no tamanho médio do 
grão de materiais policristalinos, o qual ocorre por meio do movimento de 
contornos de grão. 
 
 Questão 7.16 
Explique sucintamente por que contornos de grão com baixo ângulo não 
são tão eficazes na interferência no processo de escorregamento quanto 
são os contornos de grão com alto ângulo. 
O contorno de grão atua como uma barreira que dificulta o movimento das 
discordâncias. Se dois grãos possuem orientações diferentes e uma 
discordância que atravessa um grão, ao chegar ao contorno, a direção de 
movimento terá que ser alterada. À medida que a diferença de orientação 
aumenta isso se torna mais difícil. Para contornos de alto ângulo, é mais fácil 
que as discordâncias não atravessem os contornos dos grãos durante a 
deformação.