discordâncias
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DISCORDÂNCIAS COMO ALTERAÇÕES NA ESTRUTURA ORIGINAL DO MATERIAL MOLECULARMENTETRANSCRIPT
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
FRANCINÉ ALVES DA COSTA
NATAL/RN
2009.2
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DISCORDÂNCIAS E MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA
OBJETIVOS:
Estudar as características das discordâncias e o seu envolvimento em um processo de deformação plástica e no aumento da resistência de metais.
Adicionalmente, verificar como ocorrem os processos de recuperação, recristalização e crescimento de grão de metais submetidos a deformação plástica.
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Comportamento externo do metal (vista macroscópica)
Propriedades Mecânicas Deformação Discordâncias
Comportamento interno do metal (vista microscópica)
Aula passada Aula de hoje
MetaisDefeitos Cristalinos (Discordâncias);
Mecanismos de aumento de Resistência;
Meios para retorno da estrutura ao seu estado original;
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INTRODUÇÃO
A deformação plástica é permanente, e a resistência e a dureza são medidas da resistência de um material a esta deformação.
A deformação plástica corresponde ao movimento líquido ou global de um grande número de átomos em resposta à aplicação de uma tensão.
Nos sólidos cristalinos, a deformação plástica envolve na maioria das vezes o movimento de discordâncias, as quais são defeitos cristalinos lineares.
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DEFEITOS CRISTALINOSClassificação dos Defeitos CristalinosDefeitos puntiformes (associados com uma ou duas posições atômicas); Ex: vacâncias, interstícios.
Defeitos de linha (defeitos unidimensionais); Ex: discordâncias.
Defeitos bidimensionais (fronteiras entre duas regiões com diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações cristalográficas); Ex: contornos de grão, interfaces, superfícies livres, contornos de macla.
Defeitos volumétricos (defeitos tridimensionais); Ex: poros, trincas e inclusões.
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CONCEITOS BÁSICOS
Discordâncias:
Defeito cristalino linear ao redor do qual existe um desalinhamento atômico.
Existem dois tipos fundamentais de discordâncias:
Em linha (aresta)
Em hélice (espiral)
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DISCORDÂNCIAS EM LINHA OU ARESTA
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O circuito e o vetor de Burgers
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DISCORDÂNCIAS EM ESPIRAL OU HÁLICE
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DISCORDÂNCIAS MISTAS
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DISCORDÂNCIAS E DEFORMAÇÃO MECÂNICA
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O processo pelo qual a deformação plástica é produzida mediante o movimento de uma discordância é chamado de escorregamento.
A deformação plástica macroscópica é na verdade uma deformação permanente resultante do movimento de discordâncias ou escorregamento em resposta à aplicação de uma tensão de cisalhamento.
densidade de discordâncias = comprimento total de discordâncias unidade de volume
103 mm-2 cristais metálicos cuidadosamente solidificados
109 a 1010 mm-2 metais altamente deformados
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MOVIMENTO DAS DISCORDÂNCIAS
Metal deformado pode ter sua densidade de discordância diminuída até uma ordem de 105 a 106 mm-2
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CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS
Compressão
Tração
Cisalhamento
Características
Campos de deformação ao redor das discordâncias –
determinam a mobilidade e sua habilidade de se multiplicar
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CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS
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SISTEMA DE ESCORREGAMENTO
CFC e CCC – metais dúcteis + sistemas de escorregamentoHC – materiais frágeis pouco sistemas de escorregamento
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Tensões de cisalhamento resolvidasESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS
+ λ ≠ 90º
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Um sistema de escorregamento apresenta a orientação mais favorável, ou seja, possui a maior tensão de cisalhamento resolvida.
R(máx) = (cos cos λ)máx
O monocristal se deforma ou escoa
R(máx) = tcrc
A tensão aplicada necessária para dar início ao escoamento é dada por
e = (cos cos λ)máx
tcrc
ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS
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A tensão cisalhante resolvido crítica é o valor máximo, acima do qual o cristal começa a cisalhar, escoar.
No entanto, os valores teóricos são muito maiores do que os valores obtidos experimentalmente.
Esta discrepância só foi entendida quando se descobriu a presença das discordâncias.
As discordâncias reduzem a tensão necessária para o cisalhamento, ao introduzir um processo seqüencial, e não simultâneo, para o rompimento das ligações atômicas no plano de deslizamento.
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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DE MATERIAL POLICRISTALINO
Monocristais;
Planos;
Direções.
Maior complexidade no comportamento de deformação do material.
Metais policristalinos são + resistentes que os monocristais, o que significa > tensão exigida para iniciar o escorregamento e conseqüente escoamento.
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ESCORREGAMENTO
Discordâncias vistas em um material através do TEM
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Movimento das Discordâncias
Discordâncias vistas em um material através do MEV
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Defeitos Bidimensionais
Interface: contorno entre duas fases diferentes.
Contornos de grão: contornos entre dois cristais sólidos da mesma fase.
Superfície Livre: superfície entre o cristal e o meio que o circunda.
Contorno de macla: tipo especial de contorno de grão que separa duas regiões com uma simetria tipo ”espelho”.
Fronteiras entre duas regiões com diferentes estruturas cristalinas ou diferentes orientações
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Fronteiras de Grão (Defeitos Bidimensionais)
Um material poli-cristalino é formado por muitos mono-cristais
em orientações diferentes.
A fronteira entre os monocristais é uma parede, que
corresponde a um defeito bi-dimensional.
Este defeito refere-se ao contorno que separa dois pequenos
grãos (ou cristais), com diferentes orientações cristalográficas,
presentes num material poli-cristalino.
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Fronteiras de Grão (Defeitos Bidimensionais)
A B
C D
A: Formação de pequenos núcleos de cristalização (cristalitos)
B:Crescimento dos cristalitos
C: Formação de Grãos, com formatos irregulares, após completada a solidificação.
D: Vista, num microscópio, da estrutura de Grãos (as linhas escuras são os contornos dos Grãos)
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Contorno de Grão:
No interior do grão todos os átomos estão arranjados segundo um “único modelo” e “única orientação”, caracterizada pela célula unitária.
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A macla é um tipo de defeito cristalino que pode
ocorrer durante a solidificação, deformação plástica,
recristalização ou crescimento de grão.
Tipos de macla: maclas de recozimento e maclas de
deformação.
A maclação ocorre em um plano cristalográfico
determinado segundo uma direção cristalográfica
específica. Tal conjunto plano/direção depende do tipo de
estrutura cristalina.
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MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA
O importante para a compreensão dos mecanismos de aumento de resistência é a relação entre o movimento das discordâncias e o comportamento mecânico dos metais.
A habilidade de um metal para se deformar plasticamente depende da sua habilidade de movimentação das discordâncias.
Dureza e resistência depende Deformação Plástica induzida pela mobilidade das discordâncias.
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Redução no Tamanho de grão
Solução Sólida
Encruamento
Restringir ou impedir o movimento de discordâncias
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Por Redução no Tamanho de Grão
Propriedades Discordâncias Contorno de grão Tamanho de grão
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Por Redução no Tamanho de Grão
Para muitos materiais o e depende do tamanho de grão segundo a relação
e = o + ked-1/2
Onde d representa o diâmetro médio do grão, enquanto o e ke são constantes para cada material específico. Essa expressão é conhecida por Equação de Hall-Petch.
Ela não é válida para materiais policristalinos com grãos mistos.
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Por Redução no Tamanho de Grão
Contornos de macla bloqueiam o escorregamento e resistência do material.
Contornos entre fases diferentes impedem o movimento das discordâncias.
Tamanho de grão resistência e a tenacidade de muitas ligas.
Fig. A influência do tamanho do grão sobre o limite de escoamento de uma liga de latão com composição 70Cu-30Zn.
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Por Solução Sólida (Defeito Pontual)
Formação de ligas com átomos de impurezas através de solução sólida substitucional ou intersticional.
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Por Solução Sólida (Defeito Pontual)
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Por Solução Sólida
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Por Solução Sólida
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Estrutura Deformada a Frio
A deformação plástica que é realizada numa
região de temperatura, e sobre um intervalo de tempo
tal que o encruamento não é aliviado, é chamada
trabalho a frio (deformação a frio).
O nº de discordâncias é aumentado durante a
deformação plástica, e devido às suas interações
provocam um estado de elevadas tensões internas.
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A maior parte da energia gasta na deformação de
um metal por trabalho a frio é convertido em calor.
Todavia, cerca de 10% da energia gasta são
armazenados na estrutura causando um aumento na
energia interna.
A grandeza da energia armazenada aumenta com
o ponto de fusão do metal e com a adição de soluto.
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Para um dado metal, a quantidade de energia
armazenada depende do tipo de processo de
deformação (trefilação ou tração).
A maior parte da energia armazenada é devida à
geração e à interação das discordâncias durante o
trabalho a frio.
Falhas de empilhamento e maclas são
provavelmente responsáveis por uma pequena fração
da energia armazenada.
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A energia de deformação elástica contribui
apenas para uma insignificante parte da energia
armazenada.
Encruamento
Definição: é o fenômeno pelo qual um metal dúctil se
torna mais duro e mais resistente quando ele é
submetido a uma deformação plástica.
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Também pode ser chamado de endurecimento
por trabalho ou por trabalho a frio.
%TF = (A0 – Ad / A0) x 100Grau de deformação
Encruamento ou trabalho a frio é um importante
processo industrial que é usado para endurecer ligas ou
metais que não são sensíveis a tratamento térmicos.
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Normalmente, a taxa de encruamento é menor
para metais H.C. do que para metais cúbicos.
O aumento da temperatura de deformação pode
também diminuir a taxa de encruamento.
O trabalho a frio produz a elongação dos grãos
na direção principal de trabalho. Então, grandes
deformações produzem uma reorientação dos grãos
numa orientação preferencial.
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Além das mudanças das propriedades em tração,
o trabalho a frio produz também mudanças em outras
propriedades físicas.
Normalmente ocorre uma pequena redução na
densidade, uma diminuição apreciável da
condutividade elétrica e um pequeno aumento do
coeficiente de expansão térmica.
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Devido ao aumento da energia interna no estado
de trabalho a frio, a reatividade química é também
aumentada.
Isto leva a uma diminuição geral na resistência à
corrosão e, em certas ligas, introduz a possibilidade do
aparecimento de trincas de corrosão sob tensão.
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Densidade de discordâncias com deformação ou encruamento, devido a
formação de novas discordâncias.
As interações de deformação discordâncias- discordâncias são repulsivas.
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MEIOS PARA RETORNO DA ESTRUTURA DO MATERIAL AO SEU ESTADO ORIGINAL
A deformação plástica produz alterações
microestruturais e mudanças nas propriedades dos
materiais:
Alteração na forma do grão;
Endurecimento por deformação plástica a frio, e
Aumento na densidade das discordâncias.
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Recozimento de Metais Trabalhados a Frio
O estado de trabalho a frio é uma condição de
maior energia interna do que o material não-deformado.
Embora a estrutura celular de discordâncias do
material trabalhado a frio seja mecanicamente estável,
ela não é termodinamicamente estável.
O recozimento é comercialmente muito
importante porque restaura a ductilidade de um metal
que tenha sido severamente encruado.
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O processo de recozimento pode ser dividido em
três processos distintos:
- Recuperação;
- Recristalização; e
- Crescimento de Grão.
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Recuperação
É normalmente definida como a restauração das
propriedades físicas do metal trabalhado a frio sem
que ocorra alguma mudança visível na microestrutura.
Liberação de uma parte da energia interna de
deformação armazenada;
Redução do número de discordâncias;
Configurações de discordâncias com baixas
energias de deformação.
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Fig. 1 Desenho esquemático indicando a recuperação, recristalização, crescimento de grão e as mudanças importantes nas propriedades em cada região.
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Recristalização
É o processo de formação de um novo conjunto
de grãos livres de deformação e que são equiaxiais,
com baixas densidades de discordâncias, e com
característicos das condições anterior ao processo de
trabalho a frio.
Nucleação crescimento do núcleo formação
do grão crescimento de grão
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A recristalização é facilmente detectada por
métodos metalográficos e é evidenciada por uma
diminuição da dureza ou da resistência e um aumento
na ductilidade.
A densidade de discordâncias diminui
consideravelmente na recristalização e todos os efeitos
do encruamento são eliminados.
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A energia armazenada no trabalho a frio é a
força motriz tanto para a recuperação quanto para a
recristalização.
Se os novos grãos livres de deformação forem
aquecidos a temperaturas maiores que a requerida para
causar a recristalização, ocorrerá um crescimento
gradativo no tamanho de grão.
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A força motriz para o crescimento de grão é a
diminuição da energia livre resultante da diminuição da
área de contorno de grão devido ao crescimento de
grão.
O processo de recristalização consiste na
nucleação de uma região livre de deformação, cujo
contorno pode transformar a matriz deformada em um
material livre de deformação conforme vai se movendo.
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As variáveis mais importantes que influenciam o
comportamento da recristalização são:
1. quantidade de pré-deformação: é necessário uma
quantidade mínima de deformação para provocar a
recristalização;
2. temperatura: quanto menor o grau de deformação,
maior a temperatura requerida para provocar a
recristalização;
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3. tempo: o aumento do tempo de recozimento diminui
a temperatura de recristalização. Todavia, a
temperatura é muito mais importante do que o tempo.
Dobrar o tempo de recozimento equivale
aproximadamente a aumentar a temperatura de
recozimento de 10ºC.
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4. tamanho de grão inicial: o tamanho de grão final
depende grandemente do grau de deformação e, em
menor escala, da temperatura de recozimento. Quanto
maior o grau de deformação e menor a temperatura de
recristalização, menor é o tamanho de grão
recristalizado;
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O crescimento de grão irá ocorrer lentamente
em temperaturas nas quais a recristalização ocorre
imediatamente devido à força matriz para o
crescimento de grão ser apreciavelmente mais baixa
do que a força motriz para a recristalização.
O crescimento de grão é fortemente dependente
da temperatura e será logo alcançada uma região de
crescimento de grão na qual os grãos aumentam de
tamanho muito rapidamente.
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Metais puros recristalizam a temperatura de 0,3Tf.
Em algumas ligas comerciais, ela pode alcançar 0,7Tf.
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Nível crítico de deformação plástica a frio abaixo do qual a
recristalização não ocorre (entre 2 e 20% de TF)
Fig 7.23 A variação da temperatura de recristalização em função do percentual de trabalho a frio para o ferro. Para deformações menores do que a crítica (próximo de 5%TF), a recristalização não irá ocorrer. (Callister, 2002).
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Crescimento de Grão
Para muitos materiais policristalinos, o diâmetro do grão d varia
em função do tempo t de acordo com a relação
dn - don = kt
Onde do representa o diâmetro inicial do grão em t = 0, e k e n são
constantes independentes do tempo (n é geralmente = ou > 2).
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Efeito Bauschinger
No estudo do encruamento de monocristais
observou-se que geralmente a tensão necessária para
reverter a direção de deslizamento num certo plano de
deslizamento é mais baixa do que a necessária para
continuar o deslizamento na direção original.
A direcionalidade do encruamento é chamada
de efeito Bauschinger.
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Fig. Efeito de Bauschinger e circuito de histerese.
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A quantidade do efeito Bauschinger pode ser
descrita pela deformação de Bauschinger β, que
expressa a diferença na deformação entre as curvas de
tração e compressão numa dada tensão.
O efeito Bauschinger pode ter importantes
conseqüências na conformação de metais.
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Pode ser importante no dobramento de placas
de aço, e resulta num amolecimento quando metais
severamente trabalhados a frio são submetidos a
cargas de sinal contrário.
O melhor exemplo disto é o desempenho de
barras estiradas ou folhas laminadas pela passagem
através de rolos que aplicam no material tensões de
dobramento alternadas.
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ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS
PROB-EXEMPLO 7.1
Considere um monocristal de ferro com estrutura CCC
orientado de tal modo que uma tensão de tração seja aplicada ao
longo de uma direção [010]. (a) Calcule a tensão de
cisalhamento resolvida ao longo de um plano (110) e em uma
direção [1-11] quando é aplicada uma tensão de tração de 52
MPa. (b) Se o escorregamento ocorre em um plano (110) e em
uma direção [1-11] e a tensão de cisalhamento resolvida crítica é
de 30 MPa, calcule a magnitude da tensão que deve ser aplicada
para dar início ao escoamento.
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ESCORREGAMENTO EM MONOCRISTAIS
PROB-EXEMPLO 7.1
Considere um monocristal de prata que está orientado de
tal modo que uma tensão de tração é aplicada ao longo de uma
direção [001]. Se ocorre escorregamento em um plano (111) e
em uma direção [-101], e o escorregamento é iniciado quando é
aplicada um tensão de tração de 1,1 MPa, calcule a tensão de
cisalhamento resolvida crítica.
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ENCRUAMENTO OU TRABALHO A FRIO
PROB. – EXEMPLO 7.2 CALLISTER
Calcule o limite de resistência à tração e à ductilidade (AL%) de
um bastão cilíndrico de cobre quando ele é trabalhado a frio de
tal modo que o seu diâmetro seja reduzido de 15,2 mm para 12,2
mm.