BC-1105: MATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABCCentro de Engenharia, Modelagem e Ciências

Sociais Aplicadas (CECS)

COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS:DEFEITOS CRISTALINOS E DEFORMAÇÃO

PLÁSTICA

Discordâncias

• Discordâncias existem em materiais cristalinos.

• Materiais cerâmicos apresentam estruturas cristalinas maiscomplexas e ligações mais direcionais ⇒ discordâncias imóveis

• A movimentação de discordâncias é o principal fator envolvidona deformação plástica de metais e ligas

• A mobilidade de discordâncias pode ser alterada por diversosfatores (composição, processamento…) ⇒ manipulação daspropriedades mecânicas do material

• Discordâncias afetam outras propriedades do material, alémdas mecânicas (p. ex. propriedades elétricas de semi-condutores)

Deformação Plástica• O mecanismo de deformação plástica é diferente para materiais cristalinos e

materiais amorfos.• Nos MATERIAIS CRISTALINOS o principal mecanismo de deformação

plástica geralmente consiste no escorregamento de planos atômicos atravésda MOVIMENTAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS.

Deformação plástica produzida pela movimentação de uma discordância em cunha.

• Nos MATERIAIS AMORFOS o principal mecanismo de deformação plásticageralmente consiste ESCOAMENTO VISCOSO.

Analogia entre a movimentação de uma lagarta e de uma discordância.

Formação de um degrau na superfície de um metal pela movimentação de (a)uma discordância em cunha e (b) uma discordância em hélice.

Deformação Plástica

(a) (b)

• Quando a discordância se movimenta no PLANO DE DESLIZAMENTO, que são normalmente osplanos de maior densidade atômica, diz-se que o movimento é conservativo.

• Se o movimento da discordância se der perpendicularmente ao vetor de Burgers, diz-se queo movimento (de escalada ou ascensão) é não conservativo.

Movimentação da Discordância em Cunha

Ascensão de uma discordância em cunha. Observe a aniquilação de lacunas.

Campo de Tensões ao Redor de uma Discordância

Interação entre discordâncias emcunha no mesmo plano de

deslizamento

Tensões de compressãoe de tração ao redor deuma discordância em

cunha

⇓

⇑

• As discordâncias não se movem com a mesma facilidade em todos osplanos cristalinos e em todas as direções cristalinas.

• A movimentação das discordâncias se dá preferencialmente atravésde planos específicos e, dentro desses planos, em direçõesespecíficas, ambos com a maior densidade atômica de um dadoreticulado cristalino.

• Essa combinação de um plano e uma direção é chamada de SISTEMADE ESCORREGAMENTO (“slip system”).

Sistemas de Escorregamento

Sistemas deescorregamentonos cristais CFC

...repetindo:

Um sistema deescorregamento édefinido por umPLANO e por umaDIREÇÃO dee s c o r r e g a m e n t o ,ambos com a maiordensidade atômicaem um dadoreticulado cristalino.

Deformação Plástica em Monocristais e Policristais

Escorregamentomacroscópico emum monocristal

Escorregamentoem um monocristal

de zinco

Alteração damicroestrutura de ummetal policristalino em

consequência dadeformação plástica.

Deformação Plástica: Maclação

• DEFORMAÇÃO POR MACLAÇÃO é ummecanismo importante na deformaçãoplástica de metais HC e CCC,principalmente a baixas temperaturas eem altas velocidades de deformação.

• A MACLA é um tipo de defeito cristalino que pode ocorrer durante a deformaçãoplástica.

• A MACLAÇÃO ocorre em um plano cristalográfico determinado segundo uma direçãocristalográfica específica. Tal conjunto plano/direção depende do tipo de estruturacristalina.

• DEFORMAÇÃO POR MACLAÇÃO é ummecanismo importante na deformaçãoplástica de metais HC e CCC,principalmente a baixas temperaturas eem altas velocidades de deformação.

• A MACLA é um tipo de defeito cristalino que pode ocorrer durante a deformaçãoplástica.

• A MACLAÇÃO ocorre em um plano cristalográfico determinado segundo uma direçãocristalográfica específica. Tal conjunto plano/direção depende do tipo de estruturacristalina.

Deformação Plástica: Maclação

Material sofrendo a deformação plástica:• os círculos vazios com linha pontilhada indicam asposições atômicas originais;• os círculos vazios com linha sólida indicam os átomosque não alteram suas posições;• os círculos cheios indicam as posições dos átomos apósa movimentação.Um dos planos de maclação (twin plane) é indicado.

Material ao final da deformação plástica:• círculos cheios indicam os átomos que mudaram deposição;• as linhas pontilhadas indicam os planos de maclação(twin planes).

• Restringir ou dificultar a movimentação das discordânciastorna os metais mais resistentes à deformação plástica,mais duros e menos dúcteis. Isso pode ser obtido porquatro maneiras diferentes: Endurecimento por deformação plástica (ENCRUAMENTO)

(“strain hardening” ou “work hardening”)

Endurecimento por diminuição (REFINO) do tamanho degrão (“strengthening by grain size reduction”)

Endurecimento por SOLUÇÃO SÓLIDA (“solid solutionstrengthening”)

Endurecimento por PRECIPITAÇÃO ou DISPERSÃO

Mecanismos de Endurecimento(em metais e ligas metálicas monofásicas)

• É o mais antigo e provavelmente omais utilizado dentre os mecanismosde endurecimento de metais.

• O encruamento é o mecanismo peloqual um material dúctil se torna maisduro e resistente depois de ter sidosubmetido a uma deformaçãoplástica.

• Durante a deformação plástica, asdiscordâncias movimentam-se,multiplicam-se, interagem entre siformando “emaranhados”.

• Para que a movimentação dasdiscordâncias ocorra passa a haver anecessidade de tensões crescentes.

Endurecimento em Metais: EncruamentoMetal policristalino dúctil

Ferro deformado plasticamenteDensidade de discordâncias :

2 x 108 cm/cm3 )

Metal policristalino dúctilFerro deformado plasticamenteDensidade de discordâncias :

2 x 1010 cm/cm3 )

Metal policristalino dúctilFerro deformado plasticamenteDensidade de discordâncias :

2 x 1011 cm/cm3 )

Endurecimento em Metais: Encruamento

Variação de : (a) limite de escoamento e (b)ductilidade com o grau de deformação, em % deredução de área, %CW, para o aço AISI 1040, olatão e o Cu, trabalhados a frio.

%100% xA

AACW

o

fo

!!"

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onde Ao e Af são áreas de seção transversal,respectivamente, antes e depois da deformação.

Endurecimento em Metais: Encruamento

Interação entre uma discordância emmovimento e um contorno de grão.

2

1!

+= dkyoy ""

• Nos materiais monofásicos, a variaçãodo limite de escoamento (σy) com otamanho do grão médio (d) é expressapor:

(Relação de Hall-Petch)onde: σo e ky são constantes característicasdo material.

Influência do tamanho de grão no limite deescoamento do latão 70%Cu – 30%Zn

Contornos de grão são obstáculos paraa movimentação de discordâncias.

Endurecimento em Metais: Refino de Grão

• Os campos de tensão gerados por átomos de soluto interagem com oscampos de tensão das discordâncias, dificultando a movimentação dasdiscordâncias e, consequentemente, promovendo endurecimento.

Variação de: (a) resistência à tração; (b) limite de escoamento (c) ductilidade com o teor de Nipara ligas Cu-Ni

Endurecimento em Metais: Solução Sólida

• Os precipitados também dificultam o movimento das discordâncias.

• PRECIPITADOS INCOERENTES: não existe continuidade entre os planoscristalinos do precipitado e os da matriz, e as discordâncias terão que securvar entre os precipitados → MECANISMO DE OROWAN

Mecanismo de Orowanpara a interação dediscordâncias com

partículas incoerentes.

Endurecimento em Metais: Precipitação ou Dispersão

Arranjo dos átomos aoredor das interfaces:a) coerente,b) semicoerente,c) incoerente.(segundo E. Hornbogen)

• Se os PRECIPITADOS forem COERENTES, as discordâncias em movimentopoderão cortá-los ou cisalhá-los.

• Precipitados coerentes são muito menos comuns que precipitadosincoerentes.

Cisalhamento de uma partículacausado pela passagem de uma

discordância.

Precipitados coerentes de Ni3Al em umasuperliga (Waspalloy 650) cisalhados.

(MET – S.D. Antolovich – U.T. Compiègnes)

Endurecimento em Metais: Precipitação ou Dispersão

Recristalização

Recristalização de latão encruado (40X). De (a) a (h) pode-se ver a recristalização e ocrescimento dos grãos em temperaturas elevadas.

Ciclos de deformação a frio erecozimento (cápsula para cartuchos)

Recristalização

Influência da temperatura de recozimento naresistência à tração e na ductilidade de umaliga de Cu-Zn.

Deformação Plástica em Materiais Cerâmicos

Movimentação dediscordância em

cunha emsólidos com

ligaçõescovalentes

Movimentação dediscordância em

cunhaem sólidos comligações iônicas

• Os materiais poliméricos apresentamcomportamento mecânico poucouniforme.

• O comportamento mecânico é,principalmente, função do tipo deligação e de ordenamento que existeentre as cadeias poliméricas, e não dotipo de ligação existente no interior dascadeias.

• Por exemplo, a deformação plástica depolímeros de cadeia linear é devida ao“desdobramento” irreversível dascadeias sob o efeito da tensãoaplicada.

Deformação Plástica em Materiais Poliméricos⇑

⇓esforço de tração