Aula 08 Discordancia e Mecan de Aumento de Resist

8/18/2019 Aula 08 Discordancia e Mecan de Aumento de Resist

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICASDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

DISCORDÂNCIAS E MECANISMOS DE

AUMENTO DE RESISTÊNCIA

CMA – CIÊNCIA DOS MATERIAIS2º Semestre de 2014

Prof. Júlio César Giubilei Milan


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DISCORDÂNCIAS E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

• Resistência teórica

Frenkel (1926)

• 1930 → Defeito linear → discordâncias

• 1934 Orowan “Versetzung” e Taylor “Dislocation”

• 1949 primeiras observações de discordâncias

TEM

Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência

2G

abt

Para o ferro puro

t =12.836 N/mm 2 (teórica)

O aços para construção civil têm

limite de escoamento (elástico)

cerca de 1/20 deste valor

calculado.


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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

• Corresponde ao movimento de um grandenúmero de discordâncias

• Uma discordância aresta se move emresposta a uma tensão de cisalhamentoperpendicular à sua linha



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F ig. - Rearranjos atômicos que acompanham o movimento de uma discordância

aresta à medida que ela se move em resposta à aplicação de uma tensão de

cisalhamento.



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• O movimento das discordâncias envolve orearranjo de apenas alguns átomos ao seu

redor e não mais o movimento simultâneo ecooperativo de todos os átomos de um plano

cristalino.



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• O processo pelo qual uma deformaçãoplástica é produzida pelo movimento de uma

discordância é chamado deESCORREGAMENTO

• O plano cristalográfico ao longo do qual a

linha de discordância se movimenta é oPLANO DE ESCORREGAMENTO



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A deformação plástica macroscópica corresponde a uma

deformação permanente que resulta do movimento dasdiscordâncias, ou escorregamento, em resposta aaplicação de uma tensão de cisalhamento.

Fig. – A formação de um degrau

sobre a superfície de um cristal pelo

movimento de (a) uma discordância

aresta e (b) uma discordância

espiral .



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Análogo a movimentação de uma lagarta

Fig. - Representação da analogia entre os movimentos de uma lagarta e de uma

discordância.

Direção de movimentação das discordâncias:

• Aresta → paralela a tensão

• Espiral→

perpendicular a tensão



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DENSIDADE DE DISCORDÂNCIAS

Comprimento total de discordâncias porunidade de volume / número de discordâncias

que interceptam uma área unitária de umaseção aleatória

( mm de discordância/mm3 ou discordâncias/mm2 )

C ristais metálicos cuidadosamente solidificados → 10 3 mm-2

metais altamente deformados → 10 9 a 10 10 mm-2

Tratamento térmico pode reduzir para 10 5 a 10 6 mm-2

Materiais cerâmicos ( típico) → 10 2 a 10 4 mm-2

Em monocristais de Silício usados em CI → 0,1 a 10 4 mm-2



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CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS

Material deformado

• 5 % da energia é retida na forma de energia de

deformação associada a discordâncias• 95 % da energia é perdida na forma de calor.

Distorção do retículo atômico ao redor da linhade discordância devido à presença do semiplanoadicional de átomos



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TENSÕES

Fig. – Regiões de compressão (parte superior) e tração (parte inferior) localizadas

ao redor de uma discordância aresta.



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INTERAÇÃO DAS DISCORDÂNCIAS

Interação de campo de deformação dediscordâncias próximas

• Repulsão;• Atração.



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Fig. – (a) Duas discordâncias aresta de mesmo sinal e localizadas sobre o mesmo

plano de escorregamento exercem uma força repulsiva sobre a outra. (b) discordâncias

aresta com sinais opostos e localizadas sobre o mesmo plano de escorregamento

exercem uma força atrativa uma sobre a outra



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SISTEMAS DE ESCORREGAMENTO

As discordâncias não se movem com amesma facilidade sobre todos os planos

cristalográficos.• Planos e direções preferenciais demovimentação;

• Planos de escorregamento

• Direções de escorregamentoSISTEMA DE

ESCORREGAMENTO



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ESTRUTURA CFC

• Planos mais densamente compactados → família {111};• Direções do tipo .

Fig. – (a) Um sistema de escorregamento {111} mostrado no interior de uma

célula unitária CFC. (b) O plano (111) mostrado em (a) e três direções de

escorregamento no interior daquele plano compreendem possíveis sistemas de

escorregamento.



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Número de sistemas de escorregamento

independentes representa as diferentescombinações possíveis de planos e direções deescorregamento

• Um plano de escorregamento pode contermais de uma direção de escorregamento

• Vários sistemas de escorregamento



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O número de sistemas de escorregamento

independentes representa diferentes

combinações possíveis de planos e direções

de escorregamento

Para CFC

12 sistemas de escorregamento

• 4 planos {111} diferentes• 3 direções independentes



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Tab. –

Sistemas de escorregamento para metais cúbicos de faces centradas, cúbicos decorpo centrado e hexagonais compactos.



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ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS

Tensão de Tração / Compressão→

componentes decisalhamento em todas as direções

co.cos.

R

O sistema de deslizamento que sofrer a maior R , será o

primeiro a operar

A deformação plástica começa a ocorrer quando a tração

excede a tensão cisalhante resolvida crítica (CRSS –

critical resolved shear stress).

A

F



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Tensão de cisalhamento resolvida crítica (TCRC ) → Tensãode cisalhamento mínima exigida para iniciar oescorregamento

• Monocristal deforma plasticamente ou escoa quandoR(max)= TCRC

A tensão mínima necessária para o escorregamentoocorre quando um monocristal está orientado de talforma que = = 45° , assim:

e = 2 tcrc

m

coscos

tcrce



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Fig. – Escorregamento macroscópico em

um monocristal. Fig. – Escorregamento em um monocristal

de zinco.



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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DE MATERIAL POLICRISTALINO

• Orientação aleatória do grande n° de grãos → direção de escorregamento varia;

• Durante o escorregamento → Integridademecânica e a coesão são mantidas ao longo doscontornos de grão

• Materiais policristalinos são mais resistentes queseus equivalentes monocristalinos



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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DE MATERIAL POLICRISTALINO

• Embora um único grão possa estar orientadofavoravelmente em relação a tensão aplicada para

o escorregamento ele não pode se deformar atéque seus grãos adjacentes, e orientados demaneira menos favorável, também sejam capazesde sofrer escorregamento. Isso exige um nível mais

alto de tensão aplicada.



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Fig. – Linhas de escorregamento sobre a superfície de uma amostra

policristalina de cobre que foi polida e subsequentemente deformada.

Fig. –

Alteração da estrutura do grão de um metal policristalino como resultado de uma deformação

plástica (a)antes da deformação (b) após a

deformação.



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DEFORMAÇÃO POR MACLAGEM

• A deformação plástica pode ocorrer por maclagem;

• Ocorre num plano cristalográfico definido e em uma direçãoespecífica que depende da estrutura do cristal;

• Na maclagem a deformação por cisalhamento é homogênea.

Fig. – Para um monocristal submetido a uma tensão de cisalhamento (a) deformação

por escorregamento (b) deformação por maclagem.



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Fig. – Diagrama esquemático mostrando como a maclagem resulta da aplicação de

uma tensão de cisalhamento. Em (b) os círculos abertos representam átomos que nãomudaram de osição



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Escorregamento

Orientação cristalográfica acima

e abaixo do plano de

escorregamento é a mesma tanto

antes como depois da deformação;

ocorre em múltiplos distintos do

espaçamento atômico.

Maclagem

Reorientação através do planode macla;

Deslocamento atômico é menor

do que a separação interatômica;

CCC e HC a baixas temperaturas

e elevada taxa de carregamento

(impacto);

Quantidade de deformação

plástica é pequena em comparação

com a do escorregamento;

Reorientação cristalográfica→

pode provocar novos sistemas de

escorregamento.



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MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA

• Importante para a compreensão dos mecanismos deaumento de resistência é a relação entre o movimentodas discordâncias e o comportamento mecânico dos

materiais

• A habilidade de um material se deformar

plasticamente depende da habilidade das discordâncias

para se moverem• Técnicas de aumento de resistência → restringir ouimpedir o movimento das discordâncias confere maior

dureza e maior resistência ao material



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MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA PARAMATERIAIS MONOFÁSICOS:

• Redução do tamanho de grão;

• Formação de ligas por solução sólida;

• Encruamento.



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AUMENTO DE RESISTÊNCIA PELA REDUÇÃO DO TAMANHODE GRÃO

• Tamanho de grão influencia as propriedades mecânicas;

• Grãos adjacentes → orientações diferentes → contorno de grãocomum;

Movimento de uma discordância á medida que ela encontra um contorno de grão,

ilustrando como o contorno atua como uma barreira à continuação do escorregamento.



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• Na deformação, a discordância deve passar de

um grão para outro;• Contorno de grão atua como barreira por duasrazões:

• Ao passar de um grão para outro a discordância devemudar sua direção de movimentação (quanto maior a

diferença de orientação mais difícil);

• A desordenação atômica no interior de uma região de

contorno de grão irá resultar em uma descontinuidade

de planos de escorregamento de um grão para dentro

do outro.



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• Para muitos materiais:

equação de Hall-Petch

0 – tensão de escoamento

d – diâmetro médio dos grãos

0 e k e - constantes

A influência do tamanho de grão sobre o

limite de escoamento de uma liga de latão

com composição 70 Cu – 30 Zn.

1

0 .

d k

ee


Di dâ i M i d A d R i ê i


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AUMENTO DE RESISTÊNCIA POR SOLUÇÃO SÓLIDA

• Formação de ligas por átomos de impurezas que entram emsolução sólida substitucional ou intersticial ;

• Metais puros são mais macios e mais fracos;

Variação do (a) limite de resistência a tração, (b) limite de escoamento, e (c)

ductilidade (AL%) em função do teor de níquel para ligas de cobre-níquel mostrando

aumento de resistência.4


Di dâ i M i d A t d R i tê i


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AUMENTO DE RESISTÊNCIA POR SOLUÇÃO SÓLIDA• Formação de ligas por átomos de impurezas que entram em

solução sólida substitucional ou intersticial ;

• Metais puros são mais macios e mais fracos;

Variação do (a) limite de resistência a tração, (b) limite de escoamento, e (c)

ductilidade (AL%) em função do teor de níquel para ligas de cobre-níquel mostrando

aumento de resistência.




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AUMENTO DE RESISTÊNCIA POR SOLUÇÃO SÓLIDA

• Átomos de impureza (solução sólida) → deformações na rede cristalina;

• Interações dos campos de deformação da rede cristalina e discordâncias→ movimento de discordâncias restringido.

(a) Representação das deformações da rede por

tração imposta sobre átomos hospedeiros por um

átomo de impureza substitucional de menor

tamanho. (b) Possíveis localizações de átomos de

impureza menores em relação a uma discordância

aresta, de modo que existe um cancelamento parcial

das deformações da rede impureza-discordância.

(a) Representação das deformações compressivas

impostas sobre átomos hospedeiros por um átomo de

impureza substitucional de maior tamanho. (b)

Possíveis localizações de átomos de impureza

maiores em relação a uma discordância aresta, de

modo que existe um cancelamento parcial das

deformações da rede impureza-discordância.




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AUMENTO DE RESISTÊNCIA POR ENCRUAMENTO

• Encruamento é o fenômeno pelo qual um metal dúctil setorna mais duro e mais resistente quando ele é submetidoa uma deformação plástica.

• Endurecimento por trabalho.• Trabalho a frio.

• %TF = (A0-Ad)/A0 * 100




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Para o aço 1040, latão e cobre, (a) o aumento no limite de escoamento, (b) o aumento no limite de

resistência a tração.



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A influência do trabalho a frio sobre o comportamento tensão-deformação para um aço

com baixo teor de carbono.




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Diagrama esquemático tensão-deformação em tração mostrando os fenômenos de

recuperação da deformação elástica e encruamento.




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• Interações entre campos de deformação de discordâncias.

• Densidade de discordâncias aumenta → multiplicação ouformação de novas discordâncias.

• Separação entre discordâncias diminui → na média,interações de deformação discordância-discordância sãorepulsivas → resultado líquido → movimento de umadiscordância é dificultado pela presença de outras

discordâncias.• densidade de discordância aumenta → tensão imposta,necessária para deformar um metal, aumenta com oaumento do trabalho a frio.




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RECUPERAÇÃO, RECRISTALIZAÇÃO E CRESCIMENTO DEGRÃO

Deformação plástica

• Alteração na forma do grão;

•

Endurecimento por deformação plástica a frio;• Aumento da densidade de discordâncias.

Estas propriedades e estruturas podem ser revertidas

novamente aos seus estados anteriores ao trabalho a friomediante tratamento térmico apropriado (recozimento).

• Recuperação e recristalização

•

Crescimento de grão



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RECRISTALIZAÇÃO

Processo de formação de um novo conjunto de grãos livresde deformação e que são equiaxiais, com baixas densidadesde discordâncias e que são característicos das condições que

existem antes do processo de trabalho a frio.

Novos grãos → núcleos muito pequenos que crescem(difusão)

Recristalização → pode ser usada para refinar a estrutura dogrão




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RECRISTALIZAÇÃO

Fotomicrografias mostrando vários estágios da recristalização e do crescimento de

grãos do latão (a) Estrutura de grãos submetidos ao trabalho a frio (33 % TF). (b)

Estágio inicial de recristalização após aquecimento por 3 s a 580 ° C. os grãos

muito pequenos são aqueles que foram recristalizados.




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grãos do latão (c) Substituição parcial dos grãos trabalhados a frio por grãos

recristalizados (4 s a 580° C). (d) Recristalização completa (8 s a 580

° C).

RECRISTALIZAÇÃO




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RECRISTALIZAÇÃO

Propriedades mecânicas → restauradas aos seus valoresantes da deformação → metal mais macio, menos resistentee mais dúctil.

Processo → depende do tempo e da temperatura




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RECRISTALIZAÇÃO

A influência da temperatura de

recozimento sobre o limite de

resistência a tração e a ductilidade

de uma liga de latão. O tamanho

de grão está indicado em função

da temperatura de recozimento. As

estruturas dos grãos durante os

estágios de recuperação,

recristalização e crescimento de

grão estão mostradas

esquematicamente.




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RECRISTALIZAÇÃO

Temperatura de recristalização → temperatura na qual arecristalização atinge seu término em exatamente 1 h.

(tipicamente entre um terço e metade da temperatura de

fusão) depende de vários fatores:• quantidade de trabalho a frio;

• ocorre mais facilmente em metais puros do que em

ligas;• Metais puros → 0,3 T f• Ligas → até 0,7 T f

Trabalho a quente




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RECRISTALIZAÇÃO

A variação da temperatura de recristalização em função do percentual de trabalho

a frio para o ferro. Para deformações menores do que a crítica (aproximadamente

5 % TF), a recristalização não irá ocorrer.




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RECRISTALIZAÇÃO

Temperatura de recristalização e de fusão para vários metais e ligas.




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CRESCIMENTO DE GRÃO

• Após a recristalização completa → grãos continuam acrescer (temp. elevada) → crescimento de grão

• Energia associada com contorno de grão → grãos

aumentam de tamanho, área total do contorno diminui →redução da energia total → força motriz.

• crescimento do grão → migração do contorno (difusão dosátomos em pequena escala de um lado do contorno para o

outro)

sco dâ c as e eca s os de u e to de es stê c a



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grãos do latão (e) Crescimento de grão após 15 min. a 580 ° C. (f) Crescimento de

grão após 10 min. a 700° C.



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Representação esquemática do

crescimento dos grãos através de

difusão atômica.

O log do diâm. de grão em função do

log. do tempo para crescimento de grão

no latão a várias temperaturas.



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Propriedades mecânicas à temperatura ambientede um metal com granulação fina são em geralsuperiores (maior resistência e tenacidade) do queaquelas dos metais com grãos grosseiros

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