Capítulo 3 metalurgia da conformação

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁCENTRO TECNOLÓGICO

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICADISCIPLINA: CONFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS

METALURGIA DA CONFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS

Estrutura da Matéria

Conceitos de Cristalografia

Substância cristalina: átomos estão dispostos em posições regulares no espaço.

Descrição: rede + base Rede = estrutura geométrica Base = distribuição dos átomos em cada ponto da rede.

Células Cristalográficas e Sistemas Cristalinos

Célula unitária: é uma célula que transladado n vezes nas direções x, y, z, gera toda a rede.

Célula primitiva: é a menor célula capaz de gerar a rede.

Células de Bravais: Bravais demonstrou que só existem 14 tipos de células unitárias, agrupados em 7 sistemas.

Sistema cúbico (a=b=c; ===90): a) cúbico simples; b) cúbico de corpo

centrado; c) cúbco de faces centradas

Sistema tetragonal (a=bc; ===90): a) tetragonalsimples; b) tetragonal de

corpo centrado.

Sistema ortorrômbico (abc; ===90): a) ortorrômbico simples;b) ortorrômbico de bases centradas; c) ortorrômbico de corpo

centrado; d) ortorrômbico de faces centradas

Sistema monoclínico (abc; ==90 ): a) monoclínico simples;b) monoclínico de bases centradas

Sistema triclínico (abc;90)

Sistema romboédrico ou trigonal (a=b=c; ==90)

Sistema hexagonal (a=bc; ==90, =120)

Sistema monoclínico (abc; ==90 ): a) monoclínico simples;b) monoclínico de bases centradas

Sistema triclínico (abc;90)

Exemplos:

Rede CCC: Cr, Li, Ba, Nb, Cs, W

Rede CFC: Al, Cu, Pb, Ni, Ag

Rede Cúbico Simples: CsCl (base 2)

Rede tipo diamante = CFC e base 2. Os 2 átomos da base 2 estão dispostos alinhados na diagonal do cubo e distantes a ¼ da diagonal.

Pode ser vista também como duas redes CFC simples entrelaçadas e deslocadas na diagonale distantes a ¼ da diagonal.

Diamante, Si e Ge têm esta estrutura. GaAs e outros III-V também (zincbelnde)

Célula primitiva do diamante – romboédrica ou trigonal

Definição de Planos e Direções Cristalográficas

Índices de Miller:a) Distâncias das intersecçõesb) Tomar inversos dos valoresc) Reduzir os resultados a númerosinteiros com a mesma relação entre siEx.: 2 x ½ = 1; 2 x ½ = 1; 2 x 1 = 2 plano (1,1,2) ou (112)

Direções cristalográficas [l,m,n]:

São expressos por 3 nos inteiroscom a mesma relação de um vetornaquela direção. Os componentes do vetor são dados como múltiplos dos

vetores de base. A direção da diagonal em sistema tipo paralelepípedo tem as

componentes 1a, 1b, 1c, ou seja: [111] Em cristal cúbico, a direção [l,m,n] é perpendicular ao plano

(l,m,n). Ex. [100] é perpendicular ao plano (100)

Direções e Planos Equivalentes:

Do ponto de vista cristalográfico, existem direções e planos equivalentes, dependendo apenas da escolha arbitrária dos eixos de base.

Ex. Direções [100], [010] e [001] Direções equivalentes são expressos por < >, no ex.

dado temos direções <100> Ex. Planos (100), (010) e (001) Planos equivalentes são expressos por { }, no ex. dado

temos os planos {100}.

Determinação da Estrutura de um Cristal

A estrutura de um cristal pode ser determinado pela análise de difratograma de raio X.

É baseado no princípio de interferência de raios di-fratados de acordo com a lei de Bragg: sen2dn

Defeitos em Cristais

Não existe cristal perfeito. Tipos de defeitos:

Pontuais Lineares Planares Volumétricos

a) Defeitos pontuais

kTE

v

av

eNn

0

Densidade de defeitos pontuais cresce com a temperatura(rel. tipo Arrhenius). Ex. vacâncias, onde: N0 é a densidade do Si, Eav a energia de ativação.

b) Defeitos lineares:

Discordância de bordaou de cunha

Discordância tipo parafuso ou espiral.

c) Defeitos planares

Stacking faultou falha de empilhamento.

Plano de simetria de cristais gêmeos:

Plano de contorno de grão:

d) Defeitos volumétricos Precipitados de átomos, ex., O, C, N, dopantes, etc.

Discordâncias: a) perpendiculares (280 x) b) paralelas à superfície (55x)

Stacking faults: a) 2 min. etch (55x) e b) 25 min etch (280x)

Área de 420m de diâmetro, sem defeitos.

MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Dois mecanismos estruturais básicos podem estar presentes no cristal durante o processo de deformação plástica: escorregamento e maclação.

Representação em esferas tangentes; (b) representação com um cubo.

(a) (b)

Características das discordâncias: Geram tensões de tração e compressão no reticulado próximo, além disso podem se repelir (a) ou se anular (b) dependendo da localização dessas forças.

Sistemas de escorregamento

As discordâncias se movem preferencialmente em direções e planos de maior densidade atômica entre as existentes no sistema cristalino. Ao lado um plano de escorregamento e suas 3 direções possíveis dentro desse plano para o sistema C.F.C..

Um dos planos de escorregamento e uma direção de escorregamento para o sistema C.C.C.

Número de sistemas de escorregamento e sua influência na deformabilidade dos metais

Os metais com estrutura C.F.C. tem 12 sistemas de alta densidade atômica.Ex:Cu, Al, Pb, Ag Au etc...

Os metais C.C.C. tem 48 sistemas mas com menor densidade atômica. De maneira geral, esses metais deformam menos até a ruptura que os metais C.F.C.Ex:Fe α, Mo, W, Cr Nb

Os metais HC possuem planos de alta densidade atômica mas em número apenas de 3, o que os torna materiais normalmente frágeis.

Escorregamento em monocristais

É o mecanismo mais facilmente entendido, para depois extrapolá-lo para policristais.

As forças causadoras da def. plástica são de cisalhamento. A intensidade da força de cisalhamento atuante sobre os planos dependerá da força externa e dos ângulos dessa força em relação ao plano e a direção de escorregamento.

Quando qualquer dos ângulos forem 90º a força de cisalhamento responsável pelo escorregamento será nula. Se forem de 45º será máxima. A soma dos ângulos não são em geral 90º uma vez que a força e as duas direções não necessitam estar contidas em um mesmo plano.

Deformação plástica em materiais policristalinos

O escorregamento é mais complexo devido ao grande número de grãos com orientações diferentes

Cada grão possuirá planos e direções de escorregamentos com ângulos distintos dos vizinhos, mesmo se tratando do mesmo sistema de escorregamento. (orientações cristalinas diferentes em cada grão)

Quando se supera a tensão de escoamento inicia o movimento das discordâncias nos grãos melhores orientados com a tensão externa aplicada em relação ao sistema de escorregamento preferencial. Os grãos vizinhos, não tão bem orientados, terminam dificultando a deformação do primeiro, além das dificuldades das discordâncias passarem pelos contornos de grão. Essas restrições fazem dos materiais policristalinos, materiais mais resistentes que os monocristais.

A deformação generalizada causa distorções também nos grãos indicando o sentido da deformação.

Deformação plástica em materiais policristalinos

Efeito do contorno de grão na resistência dos materiais

TEMPERATURA EM CONFORMAÇÃO PLÁSTICA

Os processos de conformação plástica são comumente classificados em operações de trabalho a frio e trabalho a quente.

A temperatura homóloga (Th) é dada pela relação entre temperatura de processamento (T) de um metal e a sua temperatura de início de fusão (Tf).

Considerações Iniciais

Variação do limite de escoamento de um metal com aumento do Th.

Influência da temperatura de recristalização nos trabalhos a frio e a quente.

Material Temperatura de Recristalização (°C)

Cobre eletrolítico (99,999%) 121

Cu – 5% Zn 315

Cu – 5% Al 288

Cu – 2% Be 371

Alumínio eletrolítico (99,999%) 279

Alumínio (90,0%) 288

Ligas de alumínio 315

Níquel (99,99%) 371

Monel (Ni – Cu) 593

Ligas de magnésio 252

Ferro eletrolítico 398

Aço de baixo carbono 538

Zinco 10

Chumbo -4

Estanho - 44Temperaturas de recristalização para alguns metais e ligas de uso comum.

Trabalho a Frio

• Processos realizados à temperatura ambiente;• Obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas;• Melhor acabamento superficial;• Encruamento ou endurecimento do material

conformado;• Controle das propriedades mecânicas;• Aumento dos níveis de resistência e dureza dos

materiais;• Redução no limite de conformabilidade;• Diminuição das propriedades físicas e da resistência à

corrosão;• Alteração da microestrutura.

ANTES DA DEFORMAÇÃO DEPOIS DA DEFORMAÇÃO

Imagens da microestrutura antes e após a deformação a frio.

Influência do encruamento nas propriedades mecânicas.

O recozimento é qualquer tratamento térmico realizado com o intuito de reduzir ou eliminar os efeitos da deformação plástica sobre a estrutura de um material metálico.

Etapas do Recozimento.

Trabalho a Quente

• Menor nível de energia requerido para deformar o metal;

• Aumento da capacidade de escoamento do metal;• Refino da granulação grosseira;• Eliminação de bolhas e poros;• Aumento da ductilidade e da tenacidade do metal;• Formação e incrustações de óxidos ;• Maior tolerância dimensional.

FRATURA DÚCTIL E FRATURA FRÁGIL

Os dois tipos básicos de fratura são: fratura frágil – rápida propagação da trinca –, e fratura dúctil – lenta propagação da trinca precedida de intensa deformação plástica.

(a) Fratura Dúctil; (b) Fratura frágil.

(a) (b)

Nucleação, coalescimento e propagação de vazios internos na fratura dúctil.

Empescoçamento

Nucleação Propagação Propagação Fratura

CONFORMABILIDADE PLÁSTICA

O conceito de conformabilidade plástica está intimamente relacionado à capacidade de promover-se a modificação da forma de um material metálico sem acarretar defeitos que inviabilizem seu uso.

Defeitos presentes em matrizes de forjamento.

(a) Influência da temperatura e da taxa de deformação sobre a conformabilidade; (b) Influência do estado de tensão sobre a deformação de fratura; (c) Comparação entre a conformabilidade de estruturas fundidas e

trabalhadas

(a) (b)

(c)