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RS 4-PROPRIEDADES DOS METAIS

DEFORMADOS PLASTICAMENTE

A capacidade de um material se deformar plasticamente está relacionado com a habilidade das discordâncias se

movimentarem

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7. Discordâncias e Mecanismos de Aumento de

Resistência

- Conceitos básicos: características das discordâncias, sistemas de escorregamento

- Aumento da resistência por diminuição do tamanho de grão

-  Aumento da resistência por solução sólida

- Encruamento, recuperação, recristalização e crescimento de grão

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RS PROPRIEDADES DOS METAIS

DEFORMADOS PLASTICAMENTE

A capacidade de um material se deformar plasticamente está relacionado com a habilidade das discordâncias se

movimentarem

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A/P

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RS

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Os materiais podem ser solicitados por tensões

de compressão, tração ou de cisalhamento. Como a maioria dos metais são menos

resistentes ao cisalhamento que à tração e compressão e como estes últimos podem ser decompostos em componentes de cisalhamento, pode-se dizer que os metais se deformam pelo cisalhamento plástico ou pelo escorregamento de um plano cristalino em relação ao outro.

O escorregamento de planos atômicos envolve o movimento de discordâncias

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RS DISCORDÂNCIAS E

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Em uma escala microscópica a deformação plástica é o

resultado do movimento dos átomos devido à tensão aplicada. Durante este processo ligações são quebradas e outras refeitas.

Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve o escorregamento de planos atômicos, o movimento de discordâncias e a formação de maclas

Então, a formação e movimento das discordâncias têm papel fundamental para o aumento da resistência mecânica em muitos materiais.

A resistência Mecânica pode ser aumentada restringindo-se o movimento das discordâncias

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RS MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS

E A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Discordâncias em cunha movem-se devido à aplicação de uma tensão de cisalhamento perpendicular à linha de

discordância O movimento das discordâncias pode parar na superfície do material, no contorno de grão ou num

precipitado ou outro defeito A deformação plástica corresponde à deformação permanente que resulta principalmente do movimento de

discordâncias (em cunha ou em hélice)

vem

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RS

MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS

Plano de escorregamento

Direção de escorregamento

Uma distância interatômica

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RS MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS

EM CUNHA E EM HÉLICE

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Fonte: Prof. Sidnei/ DCMM/PUCRJ

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A/P

UC

RS DENSIDADES DE DISCORDÂNCIAS

TÍPICAS

Materiais solidificados lentamente = 103 discord./mm2

Materiais deformados= 109 -1010 discord./mm2

Materiais deformados e tratados termicamente= 105 -106 discord./mm2

vem

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A/P

UC

RS

CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS IMPORTANTES PARA

AS PROP. MECÂNICAS Quando os metais são deformados plasticamente cerca de 5% da energia é retida internamente, o

restante é dissipado na forma de calor. A maior parte desta energia armazenada está associada com as tensões associadas às discordâncias A presença de discordâncias promove uma distorção da rede cristalina de modo que certas regiões

sofrem tensões compressivas e outras tensões de tração.

vem

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UC

RS INTERAÇÃO DE

DISCORDÂNCIAS ATRAÇÃO REPULSÃO

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A/P

UC

RS

MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS EM MONOCRISTAIS

Durante a deformação plástica o número de discordâncias aumenta drasticamente

As discordâncias movem-se mais facilmente nos planos de maior densidade atômica (chamados planos de escorregamento). Neste caso, a energia necessária para mover uma discordância é mínima

Então, o número de planos nos quais pode ocorrer o escorregamento depende da estrutura cristalina

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A/P

UC

RS

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM MATERIAIS POLICRISTALINOSA direção de escorregamento varia de grão para grão

LINHAS DE ESCORREGAMENTO

Na maioria dos grãos há 2 sistemas de escorregamento operando

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A/P

UC

RS Planos e direções de deslizamento

das discordâncias

Sistemas de delizamento:conjunto de planos e direções de maior densidade atômica

CFC: {111}<110> (mínimo 12 sistemas) CCC: {110}<111> (mínimo 12 sistemas) HC: apresenta poucos sistemas de

deslizamento (3 ou 6) por isso os metais que cristalizam nesta estrutura são frágeis

PARA ALGUNS MATERIAIS COM ESTRUTURAS CCC E HC O ESCORREGAMENTO DE ALGUNS PLANOS SÓ SE TORNAM

OPERATIVOS A ALTAS TEMPERATURAS

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RS

CFC: {111}<110> (mínimo 12 sistemas de escorregamento)

Planos: {111}= 4Direções: 3 para cada plano

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A/P

UC

RS

Maclas

Discordâncias não é o único defeito cristalino responsável pela deformação plástica, maclas também contribuem.

Deformação em materiais cfc, como o cobre, é comum ocorrer por maclação

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A/P

UC

RS Mecanismos de aumento de

resistência dos metais1. Aumento da resistência por adição de

elemento de liga (formação de solução sólida ou precipitação de fases)

2. Aumento da resistência por redução do tamanho de grão

3. Aumento da resistência por encruamento4. Aumento da resistência por tratamento térmico

(transformação de fase): será visto posteriormente

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UC

RS

1- Aumento da resistência por adição de elemento de liga

Os átomos de soluto podem causar tanto tração (átomos menores) como compressão (átomos maiores) na rede cristalina

Os átomos de soluto se alojam na rede próximo às discordâncias de forma a minimizar a energia total do sistema

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UC

RS

1- Aumento da resistência por adição de elemento de liga EX: INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS

Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional para que continue havendo escorregamento. Por isso soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que seus metais puros constituintes

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UC

RS

2- Aumento da resistência por diminuição do tamanho de grão ex: DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM MATERIAIS POLICRISTALINOS

O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias

Devido as diferentes orientações cristalinas presentes, resultantes do grande número de grãos, as direções de escorregamento das discordâncias variam de grão para grão

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UC

RS Aumento da resistência por

diminuição do tamanho de grão

O contorno de grão funciona como um barreira para a continuação do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes no contorno de grão.

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UC

RS ESCOAMENTO E

DISCORDÂNCIAS

A tensão necessária para mover a discordância e gerar a deformação plástica está relacionada não só com a energia para mover e criar discordâncias, mas também para dissociá-las dos átomos de soluto.

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RS

Qual das duas ligas com teores iguais de soluto apresentará o maior limite de escoamento?

Al-Cu Al-Si

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RS

Dependência da tensão de escoamento com o tamanho de grãoEQUAÇÃO DE HALL-PETCH

esc= o + Ke (d)-1/2

o e Ke são constantes o= tensão de atrito oposta ao movimento

das discordâncias Ke= constante relacionada com o

empilhamento das discordâncias d= tamanho de grãoEssa equação não é válida para grãos muito

grosseiros ou muito pequenos

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Dependência do limite de escoamento com o tamanho de grão

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RS

3- ENCRUAMENTO OU ENDURECIMENTO PELA DEFORMAÇÃO À FRIO

É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação plástica (realizado pelo trabalho à frio)

Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o escorregamento dos planos atômicos

A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária para produzir uma maior deformação

O encruamento pode ser removido por tratamento térmico (recristalização)

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RS

GRAU DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EM TERMOS DE TRABALHO À FRIO (TF)

%TF= Ainicial-Afinal x100

Ainicial

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RS

VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTO

O encruamento aumenta a resistência mecânica

O encruamento aumenta o limite de escoamento

O encruamento diminui a ductilidade

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RS ENCRUAMENTO E

MICROESTRUTURA Antes da

deformação Depois da

deformação

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RS

RECRISTALIZAÇÃO(Processo de Recozimento para Recristalização)

Se os metais deformados plasticamente forem submetidos ao um aquecimento controlado, este aquecimento fará com que haja um rearranjo dos cristais deformados plasticamente, diminuindo a dureza dos mesmos

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RS

MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO

ESTÁGIOS:

Recuperação Recristalização Crescimento de grão

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RS

MECANISMO QUE OCORRE NO AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO

Ex: Latão

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RS

RECUPERAÇÃO Há um alívio das tensões internas

armazenadas durante a deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica

Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo das mesmas

Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica voltam ao seu estado original (correspondente ao material não-deformado)

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RS

RECRISTALIZAÇÃO Depois da recuperação, os grãos ainda

estão tensionados Na recristalização os grão se tornam

novamente equiaxiais (dimensões iguais em todas as direções)

O número de discordâncias reduz mais ainda

As propriedades mecânicas voltam ao seu estado original

Forma-se um novo conjunto de grãos que são equiaxiais

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RS

RECRISTALIZAÇÃO

Pode-se refinar o grão de uma liga monofásica mediante deformação

plástica e recristalização

Forma-se um novo conjunto de grãos que

são equiaxiais

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RS

CRESCIMENTO DE GRÃO Depois da recristalização se o

material permanecer por mais tempo em temperaturas elevadas o grão continuará à crescer

Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor é sua resistência

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RS Crescimento de grão por

difusão

Pode-se refinar o grão de uma liga monofásica mediante deformação plástica e recristalização

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RS Dependência do tamanho de grão

com o tempo de aquecimento

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RS TEMPERATURAS DE

RECRISTALIZAÇÃO

A temperatura de recristalização é dependente do tempo

A temperatura de recristalização está entre 1/3 e ½ da temperatura de fusão

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RS TEMPERATURAS DE

RECRISTALIZAÇÃO

Chumbo - 4C Estanho - 4C Zinco 10C Alumínio de alta pureza 80C Cobre de alta pureza 120C Latão 60-40 475C Níquel 370C Ferro 450C Tungstênio 1200C

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RS DEFORMAÇÃO À QUENTE E

DEFORMAÇÃO À FRIO Deformação à quente: quando a

deformação ou trabalho mecânico é realizado acima da temperatura de recristalização do material

Deformação à frio: quando a deformação ou trabalho mecânico é realizado abaixo da temperatura de recristalização do material

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DEFORMAÇÃO À QUENTEVANTAGENS

Permite o emprego de menor esforço mecânico para a mesma deformação (necessita-se então de máquinas de menor capacidade se comparado com o trabalho a frio).

Promove o refinamento da estrutura do material, melhorando a tenacidade Elimina porosidades Deforma profundamente devido a recristalização

DESVANTAGENS: Exige ferramental de boa resistência ao calor, o que implica em custo O material sofre maior oxidação, formando casca de óxidos Não permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas

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DEFORMAÇÃO À FRIO

Aumenta a dureza e a resistência dos materiais, mas a ductilidade diminui

Permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas

Produz melhor acabamento superficial