defeitos e endurecimento
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MATERIAIS CRISTALINOS E NÃO-CRISTALINOS
MONOCRISTALINO
Um material monocristalino possui arranjo periódico e
repetido de átomos se estende através de todo o material sem
interrupção (Monocristal).
Todas as células unitárias estão dispostas da mesma
maneira e têm a mesma orientação (sem contorno de grãos)
* Monocristais existe na natureza, mas eles podem ser também
produzidos artificialmente. São de difícil crescimento, porque o
ambiente deve ser cuidadosamente controlado.
As gemas utilizadas como jóias são exemplos de
monocrital (fluorita, quartzo e etc.).
Se as extremidades de um monocristal cresce sem
nenhuma interrupção, o cristal assumirá a forma geométrica
semelhante da estrutura cristalina.
Fotografia mostrando monocristais de
fluorita (CaF)
Fotografia mostrando monocristais de
halite (NaCr)
MATERIAIS POLICRISTALINOS
Todos os sólidos cristalinos são compostos de pequenos
cristais chamados grãos. Inicialmente na solidificação, pequenos
cristais ou núcleos formam em várias posições. Estes têm
orientações cristalográficas randômicas.
Cada grão cresce a medida em que o processo de
solidificação se aproxima do término formando grãos adjacentes
uns aos outros.
A orientação cristalográfica varia de grão para grão
formando um desarranjo (desajuste) atômico dentro da região
onde os 2 grãos se encontram denominada contorno de grão.
IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS
Os sólidos cristalinos tanto policristalinos quanto
monocritalinos possuem um estrutura regular mas todos contém
um grande número de defeitos ou imperfeições.
Muitas das propriedades dos materiais são sensíveis a
desvios na rede cristalina; algumas características específicas são
alcançadas pela introdução de quantidades ou números de
defeitos particulares.
Defeito cristalino é entendida como uma irregularidade
de rede. A Classificação de imperfeições cristalinas é feita de
acordo com a geometria ou dimensionalidade do defeito.
• Defeitos de ponto (aqueles associados com uma ou 2
posições atômicas),
• Defeitos lineares (ou uni-dimensionais),
• Defeitos interfaciais ou de contornos, que são bi-
dimensionais.
• Impurezas em sólidos são também considerados, uma vez
que átomos de impureza podem existir como defeitos de
ponto.
DEFEITOS DE PONTO
1) VACÂNCIAS E AUTO-INTERSTICIAIS
VACÂNCIAS: O mais simples dos defeitos de pontos é
uma vacância ou sítio vazio da rede, isto é, está faltando um
átomo no sítio normalmente ocupado.
Vacâncias são formadas durante a solidificação e
também como um resultado de vibrações atômicas, que causam
o deslocamento de átomos a partir de seus sítios normais na
rede.
AUTO-INTERSTICIAL: é um átomo do cristal que é
comprimido (empurrado) para dentro de um sítio intersticial,
Em metais, um auto-intersticial gera distorções relativamente
grandes na rede porque o átomo é substancialmente maior do
que a posição intersticial em que está situado.
A formação deste defeito não é altamente provável, este existe
em concentrações muito pequenas, que são significativamente
menores do que aquelas para vacâncias.
1) VACÂNCIAS E AUTO-INTERSTICIAIS
1) DEFEITOS - VACÂNCIAS E AUTO-INTERSTICIAIS
2) IMPUREZAS EM SÓLIDOS
Um metal puro consistindo de apenas um único tipo de
átomo não é praticamente possível; átomos de impurezas
estarão sempre presentes e são considerados como defeitos de
ponto cristalinos.
Mesmo com técnicas sofisticadas, é difícil refinar
metais até uma pureza que exceda 99,9999%. Neste nível, da
ordem de 1022 a 1023 átomos de impurezas estarão presentes
num metro cúbico de material.
Muitos metais, ao contrário destes, são adicionados
intencionalmente átomos de impurezas para conferir
características específicas aos materiais, chamados ligas.
Geralmente se usa adicionar elementos de liga em
metais para melhorar resistência mecânica e/ou resistência à
corrosão.
Por exemplo, prata de lei (925) - é uma liga constituída
de 92,5% de Prata e 7,5% de Cobre.
Em ambientes normais, prata pura é altamente resistente à
corrosão, mas é também muito macia. A constituição de liga
com cobre melhora significativamente a resistência mecânica,
sem depreciar a resistência à corrosão apreciavelmente.
2) IMPUREZAS EM SÓLIDOS
A adição de átomos de impurezas a um metal resultará
na formação de uma solução sólida e/ou uma nova segunda
fase dependendo dos tipos de impurezas, concentrações e
temperatura da liga.
No que se refere a ligas, os termos soluto e solvente são
comumente empregados.
"Solvente" representa o elemento ou composto que está
presente em maior quantidade; ocasionalmente, átomos
solventes são denominados átomos hospedeiros.
"Soluto“ é usado para denotar um elemento ou composto
presente numa menor concentração.
2) IMPUREZAS EM SÓLIDOS
Soluções Sólidas
Uma solução sólida se forma quando átomos solutos
são adicionados ao material hospedeiro, a estrutura cristalina
é mantida, e nenhuma estrutura nova é formada.
A solução sólida é composicionalmente homogênea;
os átomos de impurezas são randomicamente e
uniformemente dispersos dentro do sólido.
Defeitos de ponto de impurezas são encontrados em
soluções sólidas, que são de 2 tipos: substitucionais e
intersticiais..
Soluções Sólidas Substitucional - Os átomos de soluto ou de
impureza substituem os átomos hospedeiros. Existem várias
características dos átomos do soluto e do solvente que determinam o
grau até onde o primeiro se dissolve no segundo:
• O fator de tamanho atômico: a diferença em raios atômicos entre
os 2 tipos de átomos deve ser menor do que cerca de 15%. Do
contrário, átomos do soluto criarão substanciais distorções de
rede e uma nova fase se formará.
• Fator eletroquímico: Os 2 átomos devem ter energias próximas,
quanto mais eletropositivo um elemento e quanto mais
eletronegativo o outro elemento, tanto maior é a probabilidade de
que eles irão formar um composto intermediário em vez de uma
solução sólida substitucional.
• Estruturas Cristalinas: Um requisito final para solubilidade sólida
completa é que as estrutura cristalina para metais de ambos os
tipos de átomos sejam as mesmas.
Especificação de Composição
As vezes necessário exprimir a composição global de
uma liga em termos de concentrações dos seus elementos
constituintes. A base para porcentagem em peso é o peso de um
particular elemento em relação ao peso total da liga.
CA = [ mA/ (mA + mB)] x 100
DISCORDÂNCIAS - DEFEITOS LINEARES
Uma discordância é um defeito linear ou unidimensional ao
redor de alguns átomos desalinhados, uma porção extra de um
plano de átomos, ou meio plano, cuja aresta termina dentro do
cristal.
Esta é denominada uma discordância em cunha; ela é um
defeito linear que se centra ao redor da linha que é definida ao
longo da extremidade do meio-plano extra de átomos (linha de
discordância).
Dentro da região ao redor da discordância de linha está alguma
distorção localizada da rede. Os átomos acima da linha de
discordância estão espremidos e aqueles abaixo da
discordância se encontram afastados; isto está refletido na
ligeira curvatura para os planos verticais de átomos quando
eles se fletem ao redor deste meio-plano extra.
DISCORDÂNCIA EM CUNHA
DISCORDÂNCIAS - DEFEITOS LINEARES
Existe um outro tipo de discordância, denominada
uma discordância em helice, que pode ser pensada como
sendo formada por uma tensão cizalhante que é aplicada
para produzir a distorção.
A distorção atômica associada a uma discordância
em helice é também linear e ao longo de uma linha de
discordância,
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE
DEFEITOS INTERFACIAIS
Defeitos interfaciais são contornos que têm 2 dimensões e
normalmente separam regiões dos materiais que têm
diferentes estruturas cristalinas e/ou orientações
cristalográficas.
Estas imperfeições incluem principalmente superfícies
externas, contornos de grão e contornos de maclas.
Um dos contornos mais óbvios é a superfície externa, que
é considerada como uma imperfeição visto que ela representa o
contorno ao longo do qual a estrutura do cristal termina.
Átomos da superfície não estão ligados ao número
máximo de átomos vizinhos, tendo um estado de maior energia
do que os átomos nas posições do interior. As ligações destes
átomos da superfície que não estão satisfeitas dão origem a uma
energia de superfície. Para reduzir esta energia, materiais tendem
a minimizar a área de superfície total.
Por exemplo, líquidos assumem uma forma tendo uma
área mínima - as gotículas se tornam esféricas. Naturalmente,
isto não é possível com sólidos, que são mecânicamente rígidos.
Superfícies Externas
Contorno de Grão – alto ângulo e baixo ângulo
Contornos de Macla
Um contorno de macla ( twin boundary) é um tipo
especial de contorno de grão através do qual existe uma
específica simetria de rede; isto é, átomos de um lado do
contorno estão localizados em posições de imagem de espelho
dos átomos que estão do outro lado. A região de material entre
estes contornos é apropriadamente denominada uma macla
(twin).
Maclação ocorre num definido plano cristalográfico e
numa direção específica, sendo que ambos dependem da
estrutura cristalina.
Maclas a partir de tratamento térmico (recozimento) são
tipicamente encontradas em metais que têm estrutura cúbica de
face centrada (CFC), enquanto que as maclas a partir de
deformações mecânicas são observadas em metais CCC e HC.
Contornos de Macla
O diagrama abaixo representa uma estrutura com uma deformação
de Macla.
PROPRIEDADES E MECANISMOS DE ENDURECIMENTO
Discordâncias de cunha e de hélice são os 2 tipos
fundamentais de discordâncias.
Numa discordância de cunha, existe localizada uma
distorção na rede ao longo da extremidade de um plano extra
de átomos.
Uma discordância em hélice resulta a partir de uma
distorção cizalhante, sua linha de discordância passa através do
centro de uma espiral.
Muitas discordâncias em materiais cristalinos têm
componentes tanto de hélice quanto de cunha; estas são
discordâncias mistas.
Deformação plástica - deformação permanente que
resulta a partir do movimento de discordâncias, ou
escorregamento, em resposta a uma aplicada tensão cizalhante.
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
O processo pelo qual deformação é produzida por
movimento de discordância é denominado escorregamento
("slip"); o plano ao longo do qual a linha de discordância
percorre é o plano de escorregamento.
Um discordância em cunha se move em resposta a uma
tensão cizalhante aplicada numa direção perpendicular à sua
linha.
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
O movimento de discordância em cunha é análogo ao modo de
locomoção empregado por uma lagarta
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
O movimento de uma discordância em hélice em resposta
à tensão cizalhante, a direção do movimento é perpendicular à
direção da tensão. Para uma discordância em hélice, o
movimento é paralelo à tensão cizalhante.
MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS
Linhas de escorregamento
na superfície de uma amostra de
Prata.
Alteração no formato dos grãos
devido a deformação plástica.
a) Antes da deformação os
grãos são equiaxial (iguais).
b) Depois os grão tornam-se
alongados
MECANISMOS DE FORTALECIMENTO EM METAIS
Importante para entender os mecanismos de
fortalecimento é a relação entre o movimento de discordância
e o comportamento mecânico de metais.
Uma vez que deformação plástica macroscópica
corresponde ao movimento de grandes números de
discordâncias, a capacidade de um material de se deformar
plasticamente depende da capacidade das discordâncias se
moverem.
Uma vez que dureza e resistência mecânica está
relacionada à facilidade com a qual a deformação plástica
pode ocorrer, por redução da mobilidade de discordâncias, a
resistência mecânica pode ser melhorada; isto é, maiores
forças mecânicas serão requeridas para iniciar a deformação
plástica.
Quanto mais restringido o movimento das discordâncias,
menor a facilidade com a qual um metal pode se deformar e mais
fraco ele se torna.
As técnicas de fortalecimento são apresentadas abaixo e
repousam sobre um princípio simples:
- restrição ou endurecimento do movimento de discordância
torna um material mais duro e mais resistente.
• ENDURECIMENTO POR SOLUCÃO SÓLIDA;
• FOTALECIMENTO POR REDUÇÃO DE TAMANHO DE
GRÃO;
• ENDURECIMENTO POR DEFORMAÇÃO
ENDURECIMENTO POR SOLUCÃO SÓLIDA
• Uma técnica para fortalecer e endurecer metais é a formação de
liga com átomos de impurezas que entram em soluções sólidas (
substitucionais ou intersticiais).
• Metais de alta pureza são quase sempre mais macios e fracos do
que ligas compostas do mesmo metal base.
• Aumentando da concentração da impureza resulta num
acompanhante aumento no limite de resistência à tração, e
dureza
Átomos Substitucionais
Átomos Intersticiais
Aumento de tensão de
deformação com a adição de
Níquel na liga Cobre-Níquel
ENDURECIMENTO POR SOLUCÃO SÓLIDA
FOTALECIMENTO POR REDUÇÃO DE TAMANHO DE GRÃO
• O tamanho dos grãos num metal policristalino influencia as
propriedades mecânicas. Grãos adjacentes normalmente têm
diferentes orientações cristalográficas, durante a deformação
plástica, movimento de escorregamento ou discordância deve
ocorrer através deste contorno,
• O contorno de grão age como uma barreira ao movimento da
discordância.
Na figura a discordância se
movimenta do grão A para o B
A tensão necessaria para deformar a amostra A é maior que na
amostra B.
Amostra A Amostra B
ENDURECIMENTO POR DEFORMAÇÃO
• Endurecimento por deformação é um fenômeno pelo qual
um metal dúctil se torna mais duro e mais resistente quando
é deformado plasticamente à frio.
• O fenômeno é explicado com base em interações dos campos
de deformação discordância-discordância a densidade de
discordância num metal aumenta com a deformação ou
trabalho a frio, as discordâncias são posicionadas mais
próximas entre si e o movimento de uma discordância é
impedido pela presença de outras discordâncias.
ENDURECIMENTO POR DEFORMAÇÃO
Aumento de tensão de
deformação por trabalho a frio Redução de ductilidade
por trabalho a frio.
Aço 1040 (azul), latão (amarelo) e cobre (vermelho)