Aula 08 Discordancia e Mecan de Aumento de Resist
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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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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• 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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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• 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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ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS
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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ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS
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
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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
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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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AUMENTO DE RESISTÊNCIA POR ENCRUAMENTO
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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AUMENTO DE RESISTÊNCIA POR ENCRUAMENTO
A influência do trabalho a frio sobre o comportamento tensão-deformação para um aço
com baixo teor de carbono.
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AUMENTO DE RESISTÊNCIA POR ENCRUAMENTO
Diagrama esquemático tensão-deformação em tração mostrando os fenômenos de
recuperação da deformação elástica e encruamento.
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AUMENTO DE RESISTÊNCIA POR ENCRUAMENTO
• 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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Fotomicrografias mostrando vários estágios da recristalização e do crescimento de
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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CRESCIMENTO DE GRÃO
Fotomicrografias mostrando vários estágios da recristalização e do crescimento de
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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CRESCIMENTO DE GRÃO
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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CRESCIMENTO DE GRÃO
Propriedades mecânicas à temperatura ambientede um metal com granulação fina são em geralsuperiores (maior resistência e tenacidade) do queaquelas dos metais com grãos grosseiros