4.0- Cap.s 04 e 07 IMP.S E DISCORD.S 15.2

(1)

Marca Instituição

Ensino

Cap.4 Imperfeições nos Sólidos

Cap.7 Discordâncias

(Mecanismos de Conformação Plástica

e Aumento de Resistência em Metais)

CIÊNCIA DOS MATERIAIS - CALLISTER

Prof.: M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota

Diretion of force

(2)

DEFORMAÇÕES DOS METAIS

(3)

A Metalurgia da Deformação

Deformação: Cisalhamento de planos de maior densidade atômica,

segundo uma direção compacta

B

t

A

Sistemas de escorregamento

CFC

{111}

110

_CCC

HC

4x3=12 sistemas

{110}

111

6x2=12 sistemas

Plano Basal

{0001}

1120

1x3=3 sistemas

(4)

DEFORMAÇÕES DOS METAIS

(a) Tração (b) Compressão

Metal Tensão máx. teórica

(N/mm2) Tensão máx. medida (N/mm2) Ferro puro 137.900 344 Alumínio puro 34.475 69 Cobre puro 68.950 172

(5)

5

PESQUISANDO NO MICROSCÓPIO FOI OBSERVADO

IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

Prof.: Antonio Fernando de Carvalho Mota

MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE TRANSMISSÃO

(6)

6

IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS

Prof.: Antonio Fernando de Carvalho Mota

Auto-intersticial

Lacunas _{Intersticial Pequeno}

MICROSCÓPIO

(7)

DEFEITOS DE LINHA

DISCORDÂNCIAS EM CUNHA OU EM ARESTAS

O circuito não se fecha.

O vetor necessário para fechar o circuito é o

vetor de Burgers b, que caracteriza a

discordância.

(8)

Movimento de Defeito em linha intracristalino

responsável pela deformação plástica de metais.

(9)

Movimentação de discordâncias

O esforço para arrastar um tapete é menor,

restringindo-se a região em movimento.

CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS

(10)

Atração e

aniquilamento

DISCORDÂNCIAS : ESFORÇOS ENVOLVIDOS

Regiões de tração e compressão ao redor da discordância

Interação entre discordâncias Repulsão

INTERAÇÕES ENTRE

DISCORDÂNCIAS

Regiões de tração (clara) e de compressão (escura) em uma discordância em cunha

Compressão Tensão

(11)

DISCORDÂNCIA HELICOIDAL OU ESPIRAL

O vetor de Burgers b é paralelo à linha de discordância em uma discordância em espiral.

(12)

FORMAÇÃO DE DISCORDÂNCIA POR CISALHAMENTO

(a) Discordância em Cunha  Movimento na direção da tensão;

(b) Discordância Helicoidal  Movimento normal a direção da tensão;

(c) Discordância Mista

Direção do movimento

(a) Cunha: Mov. na direção da tensão

(b) Hélicoidal: Mov. normal a direção da tensão

O efeito final é o mesmo (b)

(13)

FORMAÇÃO DE DISCORDÂNCIA POR CISALHAMENTO

(a) (b) (c)

Discordância mista num cristal.

A discordância, de linha AB, é parafuso no ponto A, à esquerda, em que entra no cristal e cunha no ponto B, à direita, onde sai do

cristal

Deformação Plástica do alumínio – Estampagem profunda

(14)

Formação de discordância:

(a) Inicio da movimentação da discordância.

(b - d) Aumento da linha da discordância com o aumento no cisalhamento. Quando a curva se fecha em si mesma, forma-se uma segunda curva.

(a) (b) (c) (d)

Geração de discordâncias pelo mecanismo de Frank-Read

Trabalhado a frio 1% Trabalhado a frio 3%

(15)

Diagrama esquemático de interação entre (a) discordância-discordância e (b) discordância-partícula

MOVIMENTAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS

Depois de um tratamento de

envelhecimento as discordâncias são ancoradas por uma nuvem de impurezas

(16)

(17)

O material deformado a frio apresenta ENCRUAMENTO, representado pelo aumento do limite de escoamento.

Descarregamento, obtendo aumento de comprimento (deformação plástica) e consequentemente aumento

da densidade de discordâncias. Deformação até ~8%, em tração uniaxial

(18)

Escoamento descontínuo e “Bandas de Lüders”

Deformação plástica, durante o patamar de escoamento descontínuo, ocorre em bandas

(19)

CARACTERÍSTICAS DAS DISCORDÂNCIAS

Material deformado

 5%

da energia é retida na forma de energia de

deformação associada as discordâncias.

(20)

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA:

Durante a deformação plástica, há aumento da densidade de discordâncias. Quanto maior a densidade de discordâncias, maior a chance de interações entre estas,

bloqueando seu movimento. Assim, QUANTO MAIOR A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA APLICADA A UM METAL, MAIOR A DIFICULDADE EM CONTINUAR ESTA DEFORMAÇÃO.

(21)

IMPERFEIÇÕES ESTRUTURAIS

(22)

Densidade de discordância : Comprimento de discordâncias (milimetros) Volume de material (milimetro3)

Metais recozidos e cuidadosamente preparados: 103 mm-2

Metais altamente deformados: entre 109 e 1.010 mm-2 (1000 km em 1 mm3)

(1 mm3 de Cu apresenta 8.493.1019 átomos)

Metais deformados e submetidos a tratamento térmico:105.106 mm-2

(23)

O QUE É TENSÃO DE CISALHAMENTO

Tensão de Cisalhamento é uma tensão gerada por forças aplicadas

em sentidos opostos. A seguir podemos ver um parafuso que foi

Submetido a uma tensão de cisalhamento

O estudo do cisalhamento é de extrema importância, pois envolve

a segurança da estruturas, por exemplo. É o caso do parafuso

apresentado acima: o material não foi bem dimensionado para a

necessidade, ou o material não foi o indicado, por isso sofre o

cisalhamento e poderia se romper, colocando em risco a estrutura

que estivesse.

(24)

Defeitos Interfaciais: Maclas (twin boundaries)

Uma macla separa duas regiões cristalinas que são, estruturalmente,

imagens espelhadas uma da outra.

Twinning plane

Twinning plane Twin

(25)

MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Deformação por Maclação Deformação por Discordâncias Twin planes Twin Slip plane

t

(26)

26

ORIGENS DOS TWINS

MACLAS OU CRISTAIS GÊMEOS

O seu aparecimento está geralmente

associado com a presença de:

- Tensões térmicas e mecânicas

- Impurezas

(27)

FRATURA POR CLIVAVEM

Várias discordâncias paralelas sob tensão, podem produzir uma

pequena trinca

(A) (B)

If a number of edge dislocations of the same sign Are forced together, a smail cracklike defect results.

Basal plane

Cleavage of zinc crystal

Cleavage crack (B)

(A)

(28)

VARIAÇÕES MICROESTRUTURAIS

Microestrutura de um aço 1020 recozido Aços temperados e revenidos

O QUE JUSTIFICA A DIFERENÇA DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS?

Como as chapas devem ser adquiridas? Recozidas, encruadas ou temperadas?

(29)

O “caldo de átomos”

Temperatura > 1500o C

SOLIDIFICAÇÃO

Pequenos cristais

começam a solidificar

R es fr ia m en to

(30)

Resfriamento mais lento = Cristais maiores

Grãos ou Cristais solidificados

R es fr ia m en to

SOLIDIFICAÇÃO

(31)

SOLIDIFICAÇÃO - CRISTALIZAÇÃO

EMBRIÕES DA FASE SÓLIDA

LÍQUIDO

Nucleação e crescimento de grão

Contornos dos grãos cristalinos

(32)

Os grãos podem ser observados melhor com auxílio de um

microscópio metalográfico.

(33)

CONTORNOS DE GRÃOS

(34)

Ângulo de desalinhamento Ângulo de desalinhamento Alto ângulo Baixo ângulo

CONTORNO DE GRÃO DE ALTO E BAIXO ÂNGULO ÂNGULO

Ângulos de

desalinhamento:

Em função do

desalinhamento dos planos atômicos entre os grãos adjacentes, pode-se

distinguir os contornos de grão de baixo e alto ângulo.

(35)

AVALIAÇÃO

QUE TIPO DE SOLUÇÃO SÓLIDA

O CARBONO FORMA COM O FERRO?

QUE TIPO DE SOLUÇÃO SÓLIDA

O CARBONO FORMA COM O FERRO?

F E R R I T A

F e r r o 

A U S T E N I T A

F e r r o 

(36)

A – Solução sólida Substitucional

Átomos de solvente (Ni) Átomos de soluto (Cu)

B – Solução sólida Intersticial

Átomos de solvente (Fe) Átomos de soluto (C)

TIPOS DE SOLUÇÕES SÓLIDAS (LIGAS METÁLICAS)

SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS

SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS Ex. Ni no Cu R_Ni= 1,246 A R_Cu = 1,278 A Ex. C no Fe R_Fe= 1,241 A (solvente) R_C = 0,77 A (sóluto)

(37)

Representação esquemática de átomos

de impureza substitucional e intersticial

Intersticial

(38)

LIMITES DE SOLIBILIZAÇÃO

Soluto Solvente Relação de raios Solubilidade máxima

% em peso % atômica Ni Cu 1,246/1,278 = 0,98 100 100 Al Cu 1,431/1,278 = 1,12 9 19 Ag Cu 1,444/1,278 = 1,14 8 6 Pb Cu 1,750/1,278 = 1,37 nil. nil. 100 50 0 1,0 1,15 1,3 S o lu b il id ad e m áx im a, át o m o s %

Quociente de raios, elemento de liga/cobre

Ni Pt

Au

Al _Ag

(39)

Ouro branco 18K

Para se obter ouro branco 18K

Acrescenta-se ao ouro(Au) 24K: 16,66% de paládio(Pd) + 16,66% de prata(Ag)

Fonte: Cracco Jóias

Quilatagem Conteúdo de Ouro Pureza

24K 100% 999 mil/milésimos

18K 75% 750 mil/milésimos

Anel cartier em ouro branco com uma pérola branca e 10 pedras abrilhantadas

Ouro puro + prata e cobre = ouro amarelo

(40)

Ferrita é uma solução sólida do Carbono no Ferro

na estrutura CCC

FERRITA

Na temperatura ambiente a solubilização do Carbono no Ferro

é de 1 átomo de Carbono para 10

8

_{átomos de Ferro}

Qual a maior quantidade

de Carbono dissolvida

na Ferrita?

C

Fe

(41)

AUSTENITA

Austenita é uma solução sólida do Carbono no Ferro

na estrutura CFC

A 1.147°C a Austenita pode dissolver até 2,14% em peso de

Carbono (9% em átomos)

Fe C

(42)

CEMENTITA Fe

₃

C

CEMENTITA – composto intermetálico do C no Fe na

estrutura ortorrômbica.

Também conhecida como Carbeto de Ferro (Fe

₃

C) tem 6,67%C em

peso.

Estrutura do Carbeto de Ferro (Fe

₃

C): A célula unitária é

ortorrômbica, com 12 átomos de Ferro e 4 átomos de Carbono.

(43)

AUSTENITA

 PERLITA.

PERLITA = AGREGADO FORMADO POR FERRITA E CEMENTITA.

No digrama de fases a Perlita é composta de 88% de Ferrita e de 12% de Cementita

DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA NO PONTO EUTETÓIDE

7 2 3 Co + C e m e n t i t a  + C e m e n t i t a  + 





T e o r d e C a r b o n o

(44)

O QUE ACONTECE COM O CARBONO NÃO ACEITO?

0,022%C X CFC CCC F E R R I T A a té 0 , 2 % d e C A U S T E N I T A a té 2 , 0 % d e C C E M E N T I T A - F e C₃ F E R R I T A

(45)

SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTÍCIAIS

Arranjo tetraedro (4 átomos vizinhos) Interstícios octaédricos HC CFC CCC

Obs.: Há o dobro de vazios tetraédricos do que octaédrico

Arranjo octaedro (6 átomos vizinhos)

Octahedral

(46)

SOLUBILIDADE DO CARBONO

Ferro C.F.C.: maior solubilidade de carbono (a)

(47)

(48)

TAMANHO DE GRÃO – PRINCIPAL VARIÁVEL METALÚRGICA

MEDIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (T.G.):

N = 2

n-1

onde:

N = número de grãos/ pol2_{com aumento de 100 vezes}

n ou G= número de Tamanho de Grão ASTM (1  n  12)

(a) Grain Size, n=1 (b) Grain Size, n=4

Quanto maior o número menor o

Tamanho de Grão da amostra

Quanto maior o número menor o

Tamanho de Grão da amostra

Existem vários softwares comerciais_{de simulação e determinação do}

tamanho de grão

Determinação do TG através da análise de imagem

(49)

Equação de Hall-Petch

Equação de Hall-Petch, “σ

_y

” é o Limite de Escoamento,

“d” é o tamanho médio dos grãos,

“σ

_o

” e “k

_y

” são constantes do material.

Refino de Grão – Redução do tamanho médio dos grãos,

mecanismo de endurecimento.

(Principal variável metalúrgica)



_y

=



_o

+ k

_y

d

(50)

(51)

51

Monocristal e Policristal

Monocristal

:

Material com apenas uma

orientação cristalina, ou seja, que contém

apenas um grão

Policristal

:

Material com mais de uma

orientação cristalina, ou seja, que contém

vários grãos

(52)

METAIS POLICRISTALINOS

(53)

poros

Fases secundárias

Inclusões

Heterogeneidade

(materiais

multifásicos)

DEFEITOS EM VOLUME

• _{Podem ser classificados como}

_{poros, fraturas ou inclusões:}

• _Poros:

_{podem modificar substancialmente as propriedades ópticas,}

mecânicas e térmicas de um material;

• _Fraturas:

_{podem afetar as propriedades mecânicas do material;}

• _Inclusões:

_{podem modificar substancialmente as propriedades}

(54)

54

Obrigaduuu!!!

(55)

(56)