Introdução à Metalurgia Física

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METALURGIA FÍSICA
Prof. Luiz Cláudio Cândido
candido@em.ufop.br
www.em.ufop.br
 
 
 
 
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO 
Universidade Federal de Ouro Preto 
Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais 
Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais 
Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br 
 
 
 
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO 
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br
 
 
 
 
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO 
Universidade Federal de Ouro Preto 
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FUNDAMENTOS DE METALURGIA FÍSICA
METALURGIA GERAL – II (MET 148)
METALURGIA FÍSICA
Conceitos básicos
1ª parte: A relação estrutura-propriedade
2ª parte: A microestrutura de materiais
4ª parte: Endurecimento
3ª parte: Deformação plástica
ÍNDICE
Fabricação
Estrutura
Propriedades
Desempenho
METALURGIA FÍSICA
Relação estrutura-propriedade 
METALURGIA FÍSICA
METALURGIA FÍSICA
Relação estrutura-propriedade
Ex.: Dureza versus estrutura de um aço
• Propriedades dependem da Estrutura
Ex.: Estrutura versus taxa de resfriamento de um aço
• Processamento pode alterar a Estrutura
H
a
rd
n
e
s
s
 (
B
H
N
)
Cooling Rate (ºC/s)
100
200
300
400
500
600
0.01 0.1 1 10 100 1000
(d)
30 m
(c)
4 m
(b)
30 m
(a)
30 m
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
1ª parte: A relação estrutura-propriedade
2ª parte: A microestrutura de materiais
4ª parte: Endurecimento
3ª parte: Deformação plástica
A estrutura atômica
Ligações atômicas
Arranjos atômicos
Descontinuidades
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Modelos Atômicos
• O átomo de Dalton (1808).
• O átomo de Rutherford (1911).
• Bohr (1913) e o início da Mecânica Quântica.
• De Broglie (1924) e o comportamento ondulatório do elétron.
• A equação de onda de Schrödinger (1926).
• Teoria de probabilidades de Born (1926).
• Princípio da incerteza de Heisenberg (1927).
• Princípio da exclusão de Pauli (1927).
• Níveis, subníveis e orbitais.
• Partículas subatômicas.
• Unificação dos campos de força: 
gravitacional + eletromagnético + força nuclear forte + força nuclear
fraca
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Ligações Atômicas
Tipo de ligação
Exemplo e 
energia de 
ligação (eV/at)
Natureza da ligação
Propriedades
Tf E α Ce ε
Covalente
Diamante (7,0) Elétrons compartilhados e 
localizados
↑ ↑ ↓ ↓ ↓
Iônica
NaCl (3,3) Troca de elétrons; atração 
eletrostática
↑ ↑ ↓ ↓ ↓
Metálica
Na (1,1)
Cu (3,5)
Ti (4,8)
Nuvem de elétrons não 
localizados ↑ ↑
Van der Waals
H2 (0,01)
CH4 (0,1)
Cl2 (0,3)
Atração dipolar ↓ ↓ ↑ ↓
Tf : temperatura de fusão
E : módulo de Young Ce : condutividade elétrica
α : coeficiente de dilatação linear ε : ductilidade
Estrutura
de líquidos
Estrutura
amorfa
Estrutura
de gases
Estrutura
cristalina
Tipos de 
Estruturas
Arranjos atômicos
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
(a) Representação esquemática de um cristal formado a partir de um empilhamento de cubos.
(b) O mesmo cristal, onde átomos estão colocados nos nós do empilhamento. O conjunto de átomos de
cor azul forma a célula unitária do sistema cúbico simples.
Arranjos atômicos
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Segundo Bravais, os pontos do reticulado podem estar arranjados de 14 maneiras diferentes: 
os 14 reticulados de Bravais, envolvendo 7 sistemas diferentes – sistemas cristalinos.
Cúbico
simples
Cúbico de
faces centradas
Cúbico de 
corpo centrado
Tetragonal
simples
Tetragonal de
corpo centrado
Romboédrico
Ortorrômbico
simples
Ortorrômbico de
bases centradas
Ortorrômbico de
faces centradas
Ortorrômbico de
corpo centrado
Monoclínico
simples
Monoclínico de
bases centradas
Triclínico
Hexagonal 
Arranjos atômicos
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Estruturas metálicas
HC
METALURGIA FÍSICA 
Microestrutura de materiais
CFC CCC
Estruturas Metálicas
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
A formação de uma microestrutura
Seqüência de formação da microestrutura de um material sólido, a partir do líquido = 
= processo de solidificação (fundição).
Monocristal e Policristal
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Solidificação
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Solidificação
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Solidificação
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Solidificação
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Solidificação
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Solidificação
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Solidificação
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
~ 8 cm
Grãos colunares em
áreas com menor
resfriamento
“Casca” de grãos
equiaxiais devido ao
rápido resfriamento
(maior T) próximo
das paredes.
Refino de grão - realizado para tornar os grãos menores, mais uniformes, equiaxiais.
Fluxo de calor
Os grãos podem ser - equiaxiais (praticamente o mesmo tamanho em todas as direções)
- colunares (grãos alongados)
Solidificação de um 
lingote de chumbo.
Solidificação
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Solidificação
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Solidificação de cordão de solda
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Grain growth in Electron Beam Weld of molybdenum; arrows indicating fusion boundary.
Solidificação de cordão de solda
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Exemplo de macrografia: placa de Nb-Hf-W soldada pelo processo feixe de elétrons.
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
1ª parte: A relação estrutura-propriedade
2ª parte: A microestrutura de materiais
4ª parte: Endurecimento
3ª parte: Deformação plástica
A estrutura atômica
Ligações atômicas
Arranjos atômicos
Descontinuidades
ÍNDICE
Descontinuidades Cristalinas
Tipos de descontinuidades cristalinas
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Descontinuidades de ponto
(a) Lacuna
(b) Auto-intersticial
(c) Substitucional
(d) Intersticial
(e) Schottky
(f) Frenkel
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Aumento do limite de escoamento de aço ferrítico, com a introdução de átomos de soluto.
Soluções Sólidas
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Descontinuidades de Linha
Discordância em cunha
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Discordância em hélice
Vetor de 
Burgers
Imagem em um MET de uma chapa de aço inoxidável 18Cr-8Ni (série AISI/SAE 300), 
mostrando o arranjo de discordâncias ao longo de um plano de deslizamento.
Descontinuidades de Linha
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Variação do limite de escoamento com a densidade de discordâncias para amostras de titânio deformadas na 
temperatura ambiente e numa taxa de 10-4s-1. 
= o + k 
1/2
Discordâncias e estrutura cristalina
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Esquema de contornos de grãos.
Descontinuidades de Superfície
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Micrografia (microscópio óptico) de uma amostra de aço (baixo teor de carbono) policristalino.
Descontinuidades de Superfície
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Efeito do tamanho de grão ferrítico no limite de escoamento e na temperatura de transição de impacto de um 
aço com 0,10%C, 0,50%Mn, 0,2%Si, 0,006%N.
2
1
dkoys
Descontinuidades de Superfície
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Equação de Hall-Petch
[efeito do tamanho de grão (d) no limite de escoamento de um material ( ys)]
Representação esquemática de uma macla no sistema CFC.
O plano da figura é o plano (110).Os planos A1 e A2 são os planos de maclagem.
Descontinuidades de Superfície
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Micrografia (microscópio óptico) de uma amostra de latão.
Descontinuidades de Superfície
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Representação esquemática de precipitados em um sólido cristalino. 
a) precipitado coerente;
b) precipitado semi-coerente;
c) precipitado incoerente.
Descontinuidades de Volume
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Precipitação de carboneto de nióbio em 
contornos de sub-grãos de aço microligado. 
Precipitados ’ na matriz e no contorno de grão 
(MgZn2) numa liga Al-6Zn-3Mg envelhecida a 180
oC.
Descontinuidades de Volume
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
Inclusão de sulfeto de manganês; (a) inclusão alongada; (b) inclusão alojada em um “dimple” 
(característico de fratura dúctil).
Descontinuidades de Volume
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
(b) MEV(a) Microscópio óptico
Representação esquemática das características microestruturais de materiais metálicos.
Descontinuidades Estruturais
METALURGIA FÍSICA
Microestrutura de materiais
METALURGIA FÍSICA
Conceitos Básicos 
ÍNDICE
1ª parte: A relação estrutura-propriedade
2ª parte: A microestrutura de materiais
4ª parte: Endurecimento
3ª parte: Deformação plástica
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica
Bandas de deslizamento num monocristal 
de alumínio deformado em tração na 
temperatura ambiente. MEV.
Bandas de deslizamento num policristal de 
cobre deformado em compressão na 
temperatura ambiente. MEV.
NATUREZA CRISTALOGRÁFICA DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica
(a) cristal antes do ensaio; (b) decomposição da tensão aplicada numa componente normal e numa 
componente cisalhante no plano de cisalhamento xx’; (c) cristal após a deformação plástica; (d) 
representação esquemática de um detalhe estrutural do deslizamento.
Deformação
plástica Desnivelamento entre as bandas
Número de bandas de deslizamento
Mecanismo de deslizamento na deformação plástica
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica
Metal Estrutura Plano Direção ys (MPa) Pureza
Al
Cu
Au
Ni
Ag
CFC
CFC
CFC
CFC 
CFC
{111}
{111}
{111}
{111}
{111}
<110>
<110>
<110>
<110>
<110>
0.54-0.98
0.88-0.98
0.49
3.24-7.35
0.39-0.69
99.994
99.98
99.999
99.98
99.999
Cd
Mg
Zn
HC
HC
HC
{0001}
{0001}
{0001}
<1120>
<1120>
<1120>
0.13
0.49
0.29
99.999
99.99
99.999
Fe CCC {110}
{112}
{123}
<111> 14.71 99.96
Exemplo de direções e planos densos em diferentes metais.
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica
Típicos sistemas de deslizamento para as estruturas CFC (a) , HC (b) e CCC (c) .
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica
Possibilidades de deslizamento nas estruturas CCC, CFC e HC.
SISTEMA PLANOS DIREÇÕES TOTAL
CFC 4 planos {111} 3 direções <110> 
para cada plano
12 sistemas
HC 1 plano {0001} 3 direções 
<1120> do plano 
3 sistemas
CCC 6 planos {110} 2 direções <111> 
para cada plano
12 sistemas
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica
Deslizamento por movimento de discordâncias
Modelo:
O movimento de discordâncias através da rede requer uma tensão menor do que a
tensão cisalhante teórica.
O movimento de discordâncias produz degraus, ou bandas de deslizamento, na
superfície livre.
Esquema espacial de uma estrutura 
com discordância.
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica
Como uma discordância em cunha se move no interior de um cristal: 
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica
Comparação entre Monocristais e Policristais
Deformação em Policristais MAIS COMPLEXA
Monocristais Policristais
Elástica e plasticamente anisotrópicos
Elástica e plasticamente isotrópicos (na 
ausência de textura)
A deformação pode ocorrer em um único 
sistema de deslizamento, se o eixo de 
aplicação da carga está orientado 
favoravelmente
A deformação precisa ocorrer em múltiplos 
sistemas, pois deve haver compatibilidade 
entre os diversos grãos
Deformam-se homogeneamente
Deformação não homogênea, pois além de 
variar de grão para grão, pode variar 
dentro de um único grão
Não há contornos de grão
Contornos de grão desempenham um 
papel importante na deformação
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica
Bandas de deslizamento na superfície de uma amostra policristalina de cobre previamente polida e 
deformada; 173X.
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica
Curvas tensão-deformação para monocristal (diferentes orientações do eixo de tração) e policristal
(TG = 0,2mm) de alumínio.
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica
Condições que garantem uma boa ductilidade para os materiais cristalinos e conseqüências benéficas desta 
ductilidade.
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica / Endurecimento
Multiplicação de discordâncias durante a deformação plástica, superliga Hastelloy.
a) Material recozido; b) Material deformado 5%; c) Material deformado 15%.
0
Considerações finais:
Deformação plástica Densidade de discordâncias ENCRUAMENTO
Deve-se aumentar continuamente a tensão
aplicada no material para que ele continue a se
deformar plasticamente.
1.
= densidade de discordâncias
(a) (b) (c)
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica / Endurecimento
Outros mecanismos de interação entre discordâncias e características
microestruturais também contribuem para aumentar a resistência à deformação
plástica.
4
2
1
2
1
1
10125,6
ln
8,10
x
X
X
f
dkckbG LEii
i
NPLE
tensão de 
Peierls-Nabarro
encruamento
solução 
sólida
tamanho 
de grão
precipitação
Considerações finais:
2.
Em aços microligados, por exemplo, o cálculo da tensão limite de escoamento é:
METALURGIA FÍSICA
Deformação plástica / Trincas (fratura)
A deformação plástica não se prolonga indefinidamente no metal.
Os obstáculos que se opõem ao movimento das discordâncias podem provocar a
formação de microtrincas, que causarão a fratura.
(a) Formação de uma microtrinca por empilhamento de discordâncias contra um obstáculo. Este fenômeno pode 
ocorrer quando um ou vários sistemas de deslizamento interagem; (b) com contornos de grãos;(c) com inclusões.
Considerações finais:
3.
Variação de energia potencial para um sistema composto de 
dois átomos em função da distância de separação entre eles.
Formação teórica de uma solda pela aproximação das superfícies das peças.
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Soldagem
O método de união de metais por ligação atômica: SOLDAGEM
Fatores que dificultam a soldagem de metais na temperatura ambiente
Representação esquemática de uma “superfície” metálica.
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Soldagem
Superfícies metálicas apresentam grande rugosidade. 
Ex.: Polimento cuidadoso irregularidades 500 Å ( 200 camadas atômicas).
Representação esquemática de uma superfície limpa.
Fatores que dificultam a soldagem de metais na temperatura ambiente
METALURGIA FÍSICA
Soldagem
Principais modos de superar estes obstáculos
1o Modo: “Processos de soldagem por pressão ou soldagem no estado sólido”
2o Modo: “Fusão localizada das peças” (Processos de soldagem por fusão)
Soldagem por pressão ou deformação.
(a) Representação esquemática da soldagem por fusão; (b) Macrografia de uma junta soldada.
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Soldagem
Processos 
de
soldagem
METALURGIA FÍSICA
Soldagem
METALURGIA FÍSICA - Soldagem - Processos de soldagem e afins (segundo a AWS)