Proc_Conf_Mec_Uff_2016_A02_WIN

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Processos de Conformação Mecânica
VEM00003
Abril, 2017
Prof. Dr. Augusto Lacerda
Plano de Aula
Introdução aos materiais
2 - Materiais e sua estrutura
- Introdução
- Arranjo cristalino
- Índices e direções planares
- Imperfeições cristalinas
- Deformações de sólidos cristalinos
- Monocristais
- Materiais policristalinos
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Recursos didáticos:
- Apresentação Powerpoint;
- Citações do Professor;
Referências - Para esta aula:
- HELMAN, H. e CETLIN, P.R., Fundamentos de Conformação Mecânica. Fundação Christiano Ottoni, Belo
- NPTEL - Mechanical Engineering - Forming - R. Chandramouli - SASTRA University, Thanjavur.
2 - Materiais e sua estrutura
2.1 - Introdução
- A capacidade do material aceitar a conformação é dependente de sua estrutura cristalina e propriedades mecânicas;
- Depende da estrutura cristalina e estrutura dos grãos;
- Materiais são, em geral, classificados em metais/ligas e não-metálicos (plásticos, cerâmicos, compósitos).
- Metais são ainda classificados em ferrosos e não-ferrosos.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.1 - Introdução
- A capacidade do material aceitar a conformação é dependente de sua estrutura cristalina e propriedades mecânicas;
- Depende da estrutura cristalina e estrutura dos grãos;
- Materiais são, em geral, classificados em metais/ligas e não-metálicos (plásticos, cerâmicos, compósitos).
- Metais são ainda classificados em ferrosos e não-ferrosos.
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Notas:
- Brass: Cu-Zn
- Duraluminum: aluminium–copper alloys
- GFRC: Glass fiber reinforced concrete
- CFRC: Ceramic fibre reinforced ceramic 
- MMC: Metal matrix composite (cermet)
- Carbon-carbon: Carbon fibre-reinforced carbon
2 - Materiais e sua estrutura
2.2 - Arranjo cristalino
- Reticulado cristalino possui átomos arranjados simetricamente em longo alcance;
- Material amorfo somente exibe arranjo de curto alcance;
- Os reticulados tridimensionais são ditos - Reticulados de Bravais.
-Existem 7 sistemas de reticulados cristalinos: Cubico, Hexagonal, Tetragonal, Ortorrombico, Romboêdrico, monoclinico e 
triclínico.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.2 - Arranjo cristalino
- Reticulado cristalino possui átomos arranjados simetricamente em longo alcance;
- Material amorfo somente exibe arranjo de curto alcance;
- Os reticulados tridimensionais são ditos - Reticulados de Bravais.
-Existem 7 sistemas de reticulados cristalinos: Cubico, Hexagonal, Tetragonal, Ortorrombico, Romboêdrico, monoclinico e 
triclínico.
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Notas:
P — célula unitária primitiva;
F — célula unitária centrada nas faces
A,B e C - Pontos reticulares nas bases 
são designadas pelas letras A, B ou C;
I — célula unitária centrada no corpo;
R — célula unitária primitiva com eixos 
iguais e ângulos iguais, ou hexagonal.
2 - Materiais e sua estrutura
2.2 - Arranjo cristalino
- Os metais usados na engenharia possuem as estruturas cristalinas: CCC, CFC e HC;
- A célula unitária é a menor unidade de repetição atômica;
- As propriedades físicas e mecânicas dependem do número de átomos na célula unitária;
- Células unitárias são representadas pelo modelo de esferas rígidas.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.2 - Arranjo cristalino
- Os metais usados na engenharia possuem as estruturas cristalinas: CCC, CFC e HC;
- A célula unitária é a menor unidade de repetição atômica;
- As propriedades físicas e mecânicas dependem do número de átomos na célula unitária;
- Células unitárias são representadas pelo modelo de esferas rígidas.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.3 - Índices e direções planares
- Propriedades mecânicas como resistência e dutilidade são dependentes das direções e planos cristalinos;
- Planos atômicos - Indices de Miller {abc} ou (100) - Recíproco da inteseção do plano atômico com os eixos coordenados;
- Direções atômicas - Indices de Miller-Bravais <xyz> ou [001]. Interseção da direção atômica com os eixos coordenados.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.3 - Índices e direções planares
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Nota (s):
- Textura cristalina estampagem: Forte {111} - fibra gama e redução da fibra alfa ou cubo {100}
2 - Materiais e sua estrutura
2.3 - Índices e direções planares
- Os metais podem se apresentar com diferentes estruturas cristalinas;
- Esta capacidade é conhecida como alotropismo ou poliformismo;
- A adição de outros elementos em um metal puro forma ligas metálicas, mais úteis nos projetos de engenharia.
- São obtidas maiores resistência mecânca, dureza, abrasão, fadiga e fluência.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.3 - Índices e direções planares
- A polarização magnética é anisotrópica na célula unitária.
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Nota (s):
http://www.dierk-raabe.com/electrical-steels-fe-3-si/
2 - Materiais e sua estrutura
2.3 - Índices e direções planares
- O módulo de elasticidade também é anisotrópico.
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Nota (s):
https://mammp-journal.springeropen.com/articles/10.1186/s40759-017-0021-5
2 - Materiais e sua estrutura
2.4 - Imperfeições cristalinas
- Estruturas cristalinas não são nunca perfeitas;
- Imperfeições podem ocorrer durante a solidificação e/ou processamento mecânico;
-- Os defeitos são classificados: ponto, linha e superfície (+ volumétricos). Exemplos:
- Vacância: Ausência de um átomo da rede cristalina;
- Intersticial: Presença de um átomo intersticial.
- Defeito de Frenkel: Ion removido de sua posição para um vazio intersticial.
- Defeito Schottky - Ausência de par de íons de carga oposta.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.4 - Imperfeições cristalinas
- Estruturas cristalinas não são nunca perfeitas;
- Imperfeições podem ocorrer durante a solidificação e/ou processamento mecânico;
-- Os defeitos são classificados: ponto, linha e superfície (+ volumétricos). Exemplos:
- Vacância: Ausência de um átomo da rede cristalina;
- Intersticial: Presença de um átomo intersticial.
- Defeito de Frenkel: Ion removido de sua posição para um vazio intersticial.
- Defeito Schottky - Ausência de par de íons de carga oposta.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.4 - Imperfeições cristalinas
Defeitos de linha: Coleção de defeitos de pontos.
Defeito em cunha. Plano extra de átomos.
Defeito em hélice. Trata-se de um cisalhamento onde a parte superior é movida de 1 distância atômica.
Unidade de deslocamento dos átomos é dada pelo vetor de Burgers (módulo). Discordâncias desempenham um papel ativo 
durante a deformação plástica dos sólidos cristalinos.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.4 - Imperfeições cristalinas
Defeitos de linha: Coleção de defeitos de pontos.
Defeito em cunha. Plano extra de átomos.
Defeito em hélice. Trata-se de um cisalhamento onde a parte superior é movida de 1 distância atômica.
Unidade de deslocamento dos átomos é dada pelo vetor de Burgers (módulo). Discordâncias desempenham um papel ativo 
durante a deformação plástica dos sólidos cristalinos.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.4 - Imperfeições cristalinas
Defeitos de linha: Coleção de defeitos de pontos.
Defeito em cunha. Plano extra de átomos.
Defeito em hélice. Trata-se de um cisalhamento onde a parte superior é movida de 1 distância atômica.
Unidade de deslocamento dos átomos é dada pelo vetor de Burgers (módulo). Discordâncias desempenham um papel ativo 
durante a deformação plástica dos sólidos cristalinos.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.4 - Imperfeições cristalinas
Defeitos de superfície: Contornos de grão em materiais policristalinos.
-- Desorientações entre os grãos;
- Contornos de grão são regiões de elevada energia.
- Para maiores temperaturas o grão crescerá em função da redução de energia interfacial.
- Monocristais não exibem contornos de grão.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.4 - Imperfeições cristalinas
Defeitos de volume:
- Inclusões Impurezas estranhas;
- Precipitados: aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz;
- Fases forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado);
- Porosidade origina-se devido a presença ou formação de gases;
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Nota (s):
http://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=4492 - Materiais e sua estrutura
2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.1 - Monocristais
-A aplicação de uma força externa causa distorção do reticulado cristalino;
- Se a força é pequena, pode ser dita elástica. Não há distorção permanente do reticulado;
- Se a força externa excede certo limite, pode-se dizer que ocorrerá deformação plástica e deformação permanecerá no cristal 
após a remoção da força.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.1 - Monocristais
- Tensão cisalhante máxima de um cristal perfeito para causar deformação plástica: τ (tau) = G/2
-G é a resistência ao cisalhamento do material.
- O limite teórico máximo para resistência à tração é: σ = E/10
E é módulo de elasticidade. A resistência teórica é da ordem de GPa. Observação: As tensões cisalhantes e normais para a 
deformação plástica são bem menores em função dos defeitos já apresentados.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.1 - Monocristais
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2 - Materiais e sua estrutura
2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.2 - Materiais policristalinos
- Materiais policristalinos possuem defeitos de plano (CGs) que reduzem sua resistência;
- A deformação plástica é causada por movimentação de discordâncias ou maclação mecânica;
- O deslizamento de um plano atômico sobre o outro é causado por tensão cisalhante;
- Uma tensão cisalhante mínima é requerida para causar deslizamento;
- O deslizamento ocorre somente em planos e direções específicas. São planos e direções de deslizamento;
- Famílias de planos e direções de deslizamento constituem sistemas de deslizamento.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.2 - Materiais policristalinos
- Diferentes sistemas cristalinos possuem diferentes sistemas de deslizamento.
- CFC = 12 sistemas. CCC = 48 planos. Mas somente alguns são ativos.
- Metais CCC possuem mais resistência que CFC.
- Deslizamento ocorre nos planos de maior densidade atômica.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.2 - Materiais policristalinos
- Em monocristais, a magnitude do deslizamento é proporcional à magnitude do cisalhamento induzido por uma tensão externa.
- O deslizamento inicia quando se atingie uma tensão cisalhante resolvida crítica (CRSS).
-Conhecido como lei de Schmid ou CRSS = σ cosλcosΦ.
- σ é a tensão normal aplicada no cristal.
- λ é o ângulo entre a normal e plano de deslizamento.
- Φ é o ângulo entre a direção de deslizamento e o eixo normal.
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2 - Materiais e sua estrutura
2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.2 - Materiais policristalinos
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2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.2 - Materiais policristalinos
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2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.2 - Materiais policristalinos
- CRSS é uma propriedade do material que depende da estrutura cristalina e temperatura.
- Aço a 27 oC = 27.7 MPa. Ni = 5.7 MPa. Zn = 0.18 MPa.
- Maior liga, maior CRSS.
- Maior restrição ao movimento de discordâcias, maior CRSS.
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2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.2 - Materiais policristalinos
- Deformação plástica causa aumento da densidade de discordâncias e encruamento.
- Comprimento das discordâncias/unidade de volume.
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2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.2 - Materiais policristalinos
- Deformação em policristais: Grãos de dimensões iguais são ditos equiaxiais.
- Grão refinados = maior resistência mecânica. Relação de Hall-Petch Ys = Ysi + kd -1/2
- Monocristais são anisotrópicos. Policristais podem ser isotrópicos.
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2.5 - Deformações de sólidos cristalinos
2.5.2 - Materiais policristalinos
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Class quote